南方科技大學曾林副教授：“凝膠-電解液”交替陣列水凝膠電解質

“凝膠-電解液”交替陣列水凝膠電解質

題目：Zincophilic Vertically Aligned Hydrogel Electrolyte With Enhanced Ion Transport and Dendrite Suppression for Stable Zinc-Ion Batteries

作者：Yuke Zhou, Xiyan Wei, Yuwei Li, Xianbin Wei, Yongbiao Mu, Zifan Liao, Huicun Gu, Meisheng Han, Lin Zeng

DOI：10.1002/cnl2.70116

鏈接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70116

第一作者：周鈺軻

通訊作者：慕永彪，曾林

單位：南方科技大學

研究背景

“雙碳”的愿景促進了可再生能源的發展，風電、水電、太陽能等可再生能源設備數量劇增，然而，上述可再生能源往往存在地域性、氣候性和季節性的限制，使其無法滿足全球化和智能化發展所需的便攜穩定的能量供給。基于上述背景，可充電電池因其高能量密度和便攜性脫穎而出。在眾多可充電電池中，鋅離子電池因高安全性、對環境友好和高理論容量等優勢成為下一代大型儲能設備的高潛力候選者。然而，鋅負極的不穩定性嚴重危害了鋅離子電池的循環穩定性，枝晶生長和副反應的發生，往往將鋅離子電池的循環壽命限制在幾十到幾百小時。為解決這些問題，學界提出了活性水更少、性質更穩定的水凝膠電解質。水凝膠電解質策略顯著地提高了鋅負極的壽命，為獲得優異傳導性能的水凝膠電解質，大量的研究致力于制備擁有均勻分布的快速離子傳導通道水凝膠，然而，傳統的水凝膠工藝往往難以兼顧穩定制備、可重現、通道均勻分布、通道路徑短、抑制鋅負極副反應、優異機械性能等多個方面。因此，基于上述的能源發展趨勢、鋅離子電池難題和水凝膠電解質工藝不穩定的多重背景，一個簡單可重現且性能優異的水凝膠電解質制備工藝對推進鋅離子電池穩定應用具有十分重要的作用。

成果介紹

南方科技大學曾林副教授團隊通過模板法熱聚合了一種“凝膠-電解液”交替陣列水凝膠電解質，利用均勻分布的模板，制備出擁有垂直陣列的多孔水凝膠，垂直陣列的孔洞中可以儲存電解液，為鋅離子傳導提供最短的擴散路徑，并利用均勻分布且孔徑一致的孔洞實現鋅離子的均勻沉積。此外，凝膠和電解液中都存在大量的含F官能團，可顯著束縛水分子活性，抑制HER，最終，對稱電池實現了4000 h的循環壽命。該工作為制備可控水凝膠電解質提供了理論指導，成果以“Zincophilic Vertically Aligned Hydrogel Electrolyte With Enhanced Ion Transport and Dendrite Suppression for Stable Zinc-Ion Batteries”為題發表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮點

1、模板法制備的水凝膠電解質重復性高，垂直孔洞分布均勻，為鋅離子提供均勻的快速傳輸通道；

2、水凝膠和電解液中含高濃度TFSI-基團，減少了活性水，可有效限制HER的發生；

3、“凝膠-液態”交替的電解質陣列可解決凝膠電解質傳導緩慢和界面接觸差的問題；

4、鋅離子在垂直電極方向遷移快，但平行方向被凝膠減緩，可抑制鋅離子向某一區域聚集，進而抑制枝晶生長。

本文要點

要點一

“凝膠-液態”垂直陣列水凝膠制備

圖1：（a）模板法制備多孔垂直陣列水凝膠示意圖。（b）凝膠為離子傳輸提供快速通道。

圖1展示了該垂直陣列水凝膠的制備方法，從圖1a可見，利用模板可制備出性質相同、孔徑相同、分布均勻、孔洞可調控的垂直陣列水凝膠，同時，相比于傳統的氣體造孔或真空干燥造孔，該策略可重復性和性質統一性更高，更適合大面積制備。

要點二

電解質傳導性和HER抑制能力

圖2：（a，b）凝膠電解質的SEM圖。（c）o-PAM（有垂直陣列）和r-PAM（無垂直陣列）的電導率。含不同濃度TFSI-電解質的（d，e）Raman光譜，（f）LSV測試。

在圖2（a，b）圖中可以看到凝膠電解質的均勻多孔結構，這為鋅離子傳輸提供了均勻的快速通道，圖2c中的電導率驗證了這一點。同時凝膠阻礙鋅離子向其他區域快速聚集，解決了凝膠電解質傳導難和電解液電荷容易聚集的問題。圖2d-2f驗證了高濃度TFSI-可改變氫鍵網絡，抑制HER。然而，高濃度的鋅離子電解質往往帶來更低的pH，這會加劇HER，同時，Zn（TFSI）2溶解度有限，無法提供足夠TFSI-官能團來抑制HER。因此，高濃度的Zn（TFSI）2并不利于電池穩定運行，而高濃度的LiTFSI則可解決上述問題，并實現對HER的抑制。

要點三

優異的鋅負極穩定性

圖3：鋅||鋅和鋅||鈦電池的電化學性能。鋅||鈦電池在不同電流密度下的（a）庫倫效率，（b）沉積剝離曲線和（c）平均庫倫效率。（d-g）不同條件下鋅||鋅對稱電池的長循環性能。（h）與其他報道的水凝膠性能對比圖。

圖3a-3c展示了該水凝膠電解質的可以實現不同電流密度下高可逆的鋅負極。圖3d-3h驗證了該電解質可顯著提升鋅負極穩定性，在小電流下可以達到4000 h的循環壽命，這正是副反應和枝晶生長被有效抑制的表現。

要點四

鋅沉積行為分析

圖4：（a，b）用不同電解質循環后鋅負極的XRD譜圖。用（c）o-PAM和（d）r-PAM循環后的鋅負極SEM。（e-f）不同電解質在電流密度和鋅離子分布的Comsol模擬。

圖4a-4d展示了o-PAM對鋅沉積行為的影響，從循環后鋅負極的XRD譜圖和SEM可以看到，o-PAM能夠引導鋅平整沉積。從Comsol模擬可以看到，有垂直陣列的水凝膠電解質，電流和鋅離子更傾向于分布在孔洞部分，這為鋅離子的快速遷移提供了更大驅動力。同時，因為凝膠電解質的阻隔，鋅離子難以脫離孔洞部分，這抑制了鋅離子的大量聚集，進一步抑制了大尺寸鋅枝晶的出現。

要點五

全電池電化學性能

圖5：鋅||碘電池（a）在1 A g-1下的長循環性能，（b）原位EIS，（c）倍率性能，（d）倍率測試充放電曲線，（e）5 A g-1下的長循環性能。（f）鋅||二氧化釩電池在5 A g-1下的長循環性能。

圖5展示了，在不同電流密度下，全電池都表現出優異的長循環穩定性和優異的容量保持率。此外，高濃度的TFSI-并未帶來不利于電池穩定運行的正極溶解或副反應發生，此電解質在鋅||碘全電池和鋅||二氧化釩電池中都能穩定運行，驗證了該電解質的實用性。

本文小結

該工作通過模板法熱聚合了一種“凝膠-電解液”交替陣列水凝膠電解質，該多孔水凝膠為鋅離子傳導提供最短的擴散路徑，并利用均勻分布且孔徑一致的孔洞實現鋅離子的均勻沉積。此外，此電解質存在大量的含F官能團，可顯著束縛水分子活性，抑制HER，最終，對稱電池實現了4000 h的循環壽命。這種模板法制備的水凝膠的策略，具有可控、可重復的優點，是一種具有指導意義的水凝膠結構設計策略。

作者介紹

第一作者

周鈺軻

南方科技大學機械與能源工程系本科生，導師曾林副教授。已在Carbon Neutralization，ACS Nano，Advanced Energy Materials等高水平期刊發表文章5篇，專利1篇，現于新加坡國立大學攻讀碩士學位。

通訊作者

慕永彪

南方科技大學博士，從事高比能鋰電池固態電解質、水系鋅電池關鍵材料等研究工作。以通訊作者/第一作者/共同一作在Carbon Neutralization，Nature Communications，Science Advances，Energy & Environmental Science等高水平期刊上發表文章逾50篇，論文總引用逾4000次，H因子33。

通訊作者

曾 林

南方科技大學機械與能源工程系長聘副教授，博士生導師。研究方向為燃料電池、電解水以及電化學儲能材料與器件的研發。已在Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Advanced Materials、Nature Communications等期刊發表SCI論文200余篇，其中一作/通訊論文140余篇，論文總引用12000余次，H因子54，連續兩年入選美國斯坦福大學發布的全球“終身科學影響力排行榜”（2024-2025），連續五年入選“全球前2%頂尖科學家”榜單（2021-2025）。擔任Advanced Powder Materials、Sustainable Chemistry for Energy Materials等期刊青年編委。

團隊招聘

南方科技大學曾林課題組招聘二次電池、電解水方向博士后課題組長期招聘電解水制氫、鋅離子電池和固態電池等研究領域的博士后，課題組可以提供冷凍電鏡(Cryo-TEM)、高分辨透射電鏡(HR-TEM)、高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)、臺式X射線吸收精細結構/發射譜儀(XAFS/XES)、原位XRD以及原位Raman、原位紅外等多種高端分析表征。

感興趣者請聯系zengl3@sustech.edu.cn。

團隊近期研究進展推薦

1、 Zhiyu Zou, Yongbiao Mu, Meisheng Han*, Youqi Chu, Jie Liu, Kunxiong Zheng, Qing Zhang, Manrong Song, Qinping Jian, Yilin Wang, Hengyuan Hu, Fenghua Yu, Wenjia Li, Lei Wei, Lin Zeng*, Tianshou Zhao*, “Integrated Polyanion-Layered Oxide Cathodes Enabling 100,000 Cycle Life for Sodium-Ion Batteries”, Energy & Environmental Science, 18 (2025), 2216-2230.

2、 Jiafeng He#, Yongbiao Mu#, Bu-ke Wu, Fuhai Wu, Ruixi Liao, Hongfei Li, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “Synergistic effects of Lewis acid–base and Coulombic interactions for high-performance Zn–I2 batteries”, Energy & Environmental Science, 17 (2024), 323-331.

3、 Xiyan Wei#, Yongbiao Mu#, Jian Chen#, Yuke Zhou, Youqi Chu, Lin Yang, Chaozhu Huang, Tao Xue, Limin Zang*, Chao Yang*, Lin Zeng*, “Optimizing Zn (100) Deposition via Crystal Plane Shielding Effect towards Ultra-High Rate and Stable Zinc Anode”, Energy Storage Materials, 75 (2025), 104026.

4、 Yongbiao Mu#, Zheng Li#, Bu-ke Wu#, Haodong Huang, Fuhai Wu, Youqi Chu, Lingfeng Zou, Ming Yang, Jiafeng He, Ling Ye, Meisheng Han, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “3D hierarchical graphene matrices enable stable Zn anodes for aqueous Zn batteries”, Nature Communications, 14 (2023), 4205.

5、 Yongbiao Mu#, Meisheng Han#, Buke Wu#, Yameng Wang, Zhenwei Li, Jiaxing Li, Zheng Li, Shuai Wang, Jiayu Wan*, Lin Zeng*, “Nitrogen, Oxygen-codoped Vertical Graphene Arrays Coated 3D Flexible Carbon Fibers with High Silicon Content as an Ultrastable Anode for Superior Lithium Storage”, Advanced Science, 9 (2022), 2104685.

6、 Buke Wu#, Binbin Guo#, Yuzhu Chen#, Yongbiao Mu, Hongqiao Qu, Meng Lin*, Jiaming Bai*, Tianshou Zhao*, Lin Zeng*, “High Zinc Utilization Aqueous Zinc Ion Batteries Enabled by 3D Printed Graphene Arrays”, Energy Storage Materials, 54 (2023), 75-84.

7、 Quanyan Man, Yongbiao Mu*, Lin Yang, Maokun Li, Huicun Gu, Xiaoqian Xu, Zijian Qiu, Chao Yang, Meisheng Han, Guangmin Zhou*, Lin Zeng*, “Electron Push-Pull Engineering Enables Sustainable, Anti-Corrosive, and Nonflammable Phosphate Electrolytes for Long-Lifespan Lithium-Sulfur Batteries”, Energy & Environmental Science, 2026.

Ling Wang, Peng Ji, Na Li*, Jing Li, Yi-Lin Liu*, Jinpeng Guan, Zhaoyu Wang, Haiyang Fu, Yongbiao Mu*, Lin Zeng*, “Advancements and Challenges in Aqueous Zinc-Iodine Batteries: Strategies for Enhanced Performance and Stability”, Electrochemical Energy Reviews, 8, 34 (2025).

期刊介紹

發 展 歷 程

Carbon Neutralization是溫州大學與Wiley共同出版的國際性跨學科開放獲取期刊，立志成為綜合性旗艦期刊。期刊于2022年創刊，名譽主編由澳大利亞新南威爾士大學Rose Amal院士擔任，主編由溫州大學校長趙敏教授和溫州大學碳中和技術創新研究院院長侴術雷教授擔任，編委會由來自11個國家和地區的28名國際知名專家學者組成，其中編委會19位編委入選2025年度全球“高被引科學家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ數據庫收錄，入選為中國科技期刊卓越行動計劃二期高起點新刊，并于2025年獲得首個影響因子12。

Carbon Neutralization重點關注碳利用、碳減排、清潔能源相關的基礎研究及實際應用，旨在邀請各個領域的專家學者發表高質量、前瞻性的重要著作，為促進各領域科學家之間的合作提供一個獨特的平臺。

一審 |

慕永彪

二審 |

謝棉棉

三審 |

肖 遙

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wiley.atyponrex.com/journal/CNL2

期刊編輯部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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