AM: 一种用于无枝晶锌离子电池的超高模量水凝胶电解质

准固态水系锌离子电池在电镀/剥离过程中会出现阳极锌枝晶生长问题，阻碍了其商业应用。高模量电解质抑制锌枝晶的效果已得到证实。然而，水凝胶电解质因其固有的高含水量而难以实现高模量。这项研究报告了一种具有超高模量的水凝胶电解质，它能通过机械抑制效应克服锌枝晶的生长应力。通过将湿退火、溶剂交换和盐析过程结合起来，并对疏水域和结晶域进行调整，得到了一种具有高含水量（≈70%）、高模量（198.5 MPa）、高韧性（274.3 MJ m-3）和高锌离子电导率（28.9 mS cm-1）的水凝胶电解质，其性能明显优于之前报道的聚乙烯醇基水凝胶。因此，该水凝胶电解质表现出卓越的树枝状晶抑制效果，并在Zn||Zn对称电池中实现了稳定的性能（1 mA cm−2时循环寿命达1800 h）。此外，Zn||V2O5袋式电池显示出卓越的循环寿命，即使在大弯曲角度（180°）和汽车碾压等极端条件下也能稳定运行。这项研究为设计用于先进锌离子水电池的机械性能可靠的水凝胶电解质提供了一种可行的方法。

图文简介

a )通过结合湿法退火、溶剂替换和盐析过程制备超韧PVA水凝胶。b )疏水聚合物网络与亲水网络的相互作用导致贫水和富水相的形成。c )由于Hofmeister效应，PVA链之间形成氢键。

a ) PVA-PAM-PANx-Zn2( x = 0 , 2 , 4)水凝胶的FTIR光谱。b ) PVA-PAM-PANx-Zn2( x = 0 , 1 , 2 , 3 , 4)水凝胶的UV-vis透射光谱和c)含水量。d) PVA-PAM-PANx-Zn2( x = 0 , 1 , 2 , 3 , 4)水凝胶的拉伸-应变曲线，e ) PVA-PAM-PANx-Zn2( x = 0 , 1 , 2 , 3 , 4)水凝胶的弹性模量和韧性。f ) PVA-PAM-PAN4-Zn2水凝胶的AFM图像。g ) PVA-PAM-PANx-Zn2( x = 0 , 2 , 4)水凝胶的XRD图谱。h ) PVA-PAM-PANx-Zn2( x = 0 , 2 , 4)水凝胶的SAXS图谱和相应的结构域半径估计。j ) PVA、PAM、PAN和溶剂之间的结合能。PVA-PAM-PAN2在k ) DMSO体系和l ) H2O体系中MD的最终构型。

a ) PVA-PAM-PAN3-Zn2电解质的照片和厚度测量。b ) PVA - PAM - PANx - Zn2( x = 0 , 1 , 2 , 3 , 4)电解质在20 ℃下的离子电导率。c )PVA-PAM-PANx-Zn2 （x = 0,1,2,3和4）电解质在20°C的tZn2+.d ) PVA-PAM-PAN3-Zn2电解质的模量、韧性和离子电导率与最先进水平的雷达图比较。Zn||Zn对称电池在PVA-PAM-PANx-Zn2电解液中的电压曲线( e ) 0.5 mA cm-2，0.5 mAh cm-2，f ) 1 mA cm-2，1 mAh cm-2，g )倍率性能. h ) Tafel曲线. i ) Zn||Cu电池的电位-时间曲线和j ) CV曲线.静电势k )[Zn(H2O)6]2+和l ) [Zn(H2O)5(C12nH14nN4nOn)1]2+(n= 1)。m )溶剂化Zn2+沿PAM/PAN链迁移的相对能量。

a )在PVA-PAM-PAN0-Zn2和PVA-PAM-PAN3-Zn2电解液上的镀锌行为示意图。b )循环后原始阳极和锌箔的XRD图。Zn电极在c，d ) PVA-PAM-PAN0-Zn2和e，f ) PVA-PAM-PAN3-Zn2电解液中循环后的SEM图像。g ) Zn||PVA-PAM-PAN0-Zn2||Zn和h ) Zn||PVA-PAM-PAN3-Zn2||Zn对称电池中Zn电极的LCSM图像。

论文信息

通讯作者： Yan-Long Luo, Zhong Jin, Cheng-Hui Li