鋅金屬電池因其高安全性、豐富資源和水系環(huán)境友好性，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有重要前景。然而，鋅負(fù)極普遍存在枝晶生長(zhǎng)、析氫副反應(yīng)和電解腐蝕等問(wèn)題，嚴(yán)重限制其穩(wěn)定循環(huán)壽命。凝膠電解質(zhì)是目前有效緩解鋅負(fù)極三大問(wèn)題的方法之一，但仍面臨離子電導(dǎo)率低和機(jī)械強(qiáng)度不足等問(wèn)題，并且大多數(shù)人工水凝膠不可生物降解、不可回收，大量廢棄的凝膠電解質(zhì)會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。本工作開(kāi)創(chuàng)性地提出了一種受骨頭多級(jí)結(jié)構(gòu)啟發(fā)的可持續(xù)凝膠電解質(zhì)，為高性能、可持續(xù)鋅金屬電池的構(gòu)建提供了全新設(shè)計(jì)思路與有效解決方案。 近日，北京化工大學(xué)王峰教授、牛津教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊Angewandte Chemie International Edition上發(fā)表題為“Bone-Inspired Sustainable Hydrogel Electrolytes for Zn Metal Batteries”的文章。該工作制備了一種具有超長(zhǎng)納米纖維結(jié)構(gòu)和超高室溫離子電導(dǎo)率（18.7 mS cm-1）的新型鋅離子導(dǎo)體材料鋅摻雜羥基磷灰石（Zn-HA），受骨頭啟發(fā)，將Zn-HA與明膠（Gel）復(fù)合制得凝膠電解質(zhì)（Zn-HA-Gel），同時(shí)具有高離子電導(dǎo)率、高離子遷移數(shù)、高機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性、可回收可降解性等特點(diǎn)，有效應(yīng)對(duì)了當(dāng)前鋅負(fù)極面臨的多重挑戰(zhàn)。
對(duì)Zn-HA的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明鋅摻雜不會(huì)影響羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)，超長(zhǎng)納米纖維相互交織形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證Zn-HA的高導(dǎo)鋅作用，設(shè)計(jì)制作了納米器件用于評(píng)估單根納米線(xiàn)的離子電導(dǎo)率，測(cè)得Zn-HA單根納米線(xiàn)的離子電導(dǎo)率高達(dá)18.7 mS cm-1，在空氣中放置半年后形貌結(jié)構(gòu)和性能均沒(méi)有明顯變化，表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性。綜合以上性能說(shuō)明，Zn-HA是一種非常優(yōu)異的鋅離子導(dǎo)體。 Zn-HA本身具有優(yōu)異的機(jī)械性能并且和明膠之間存在相互作用，與明膠復(fù)合后使得Zn-HA-Gel具有高機(jī)械強(qiáng)度。這種高機(jī)械強(qiáng)度能夠有效抑制枝晶的生長(zhǎng)與刺穿，從而提升水系鋅金屬電池（AZMBs）的循環(huán)穩(wěn)定性與倍率性能。鋅離子導(dǎo)體Zn-HA加入將Zn-HA-Gel的離子電導(dǎo)率提升至32.5 mS cm-1，并且在低含水量條件下仍具有高離子電導(dǎo)率。由于Zn-HA與明膠、SO42-、H2O等之間均存在相互作用，Zn-HA-Gel還具有高保水性、低去溶劑化能、高離子遷移數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)鋅負(fù)極枝晶生長(zhǎng)、析氫、腐蝕等問(wèn)題均有明顯抑制作用。 由于原料羥基磷灰石和明膠都是骨頭的組成材料，Zn-HA-Gel具有良好的可回收性和可降解性。使用后的Zn-HA-Gel可通過(guò)熱水簡(jiǎn)單水解，一步回收獲得Zn-HA膜和明膠溶液，再次制備的rZn-HA-Gel可直接用于組裝電池，仍展現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能。此外，將Zn-HA-Gel可在土壤中被微生物降解。在生物相容性方面，Zn-HA-Gel對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞幾乎無(wú)毒，具備良好的生物安全性，適用于可穿戴和植入式電子設(shè)備的能量供給。 論文信息 Bone-Inspired Sustainable Hydrogel Electrolytes for Zn Metal Batteries Jiaying Peng, Weihao Song, Wei Zhang, Xinyu Li, Qing Ma, Bing Wu, Masatsugu Fujishige, Kenji Takeuchi, Morinobu Endo, Chendong Ji, Yilin Sun, Jin Niu, Feng Wang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202506449
