苏州大学刘瑞远教授， Small综述：水凝胶电解质助力柔性锌离子储能体系面向可穿戴电子器件

第一作者：翁高

通讯作者：刘瑞远*

单位：苏州大学，上海理工大学

随着可穿戴电子器件的不断发展，我们需要更多地关注与之相匹配的柔性电源，以为这些设备供电。水系锌离子储能体系，主要包括锌离子电池和锌离子混合电容器，以其安全和廉价的突出优势是作为柔性化学电源合适的候选者。水凝胶由于其准固态的特征，兼具柔性和离子传导性，是柔性化学电源的理想电解质。此外，通过水凝胶的设计，不仅可以提升锌离子储能体系中正负极的可逆性，而且还可以赋予体系耐受不同工作环境的功能性。因此，水凝胶电解质基锌离子储能体系具有很高的研究价值，它们能够克服常规锌离子储能体系的各种限制，同时提供无与伦比的适应性，可以作为可穿戴电子器件的高性能柔性电源。

近日， 苏州大学的刘瑞远教授团队 在国际知名期刊 Small 上发表题为“ Hydrogel Electrolyte Enabled High-Performance Flexible Aqueous Zinc Ion Energy Storage Systems toward Wearable Electronics ”的综述文章。目前在柔性锌离子储能体系方向，关于水凝胶电解质的研究可以分为以下三个方面：（1）优化水凝胶电解质的机械强度和离子电导率等基础性质，以提高对于柔性电化学体系的适应性。（2）利用水凝胶电解质稳定锌负极和正极，以提高体系的可逆性。（3）通过水凝胶电解质的设计赋予体系功能性，以适应不同的工作环境。该文章针对以上的三个方面加以汇总，分析了水凝胶电解质在柔性锌离子储能体系的研究进展，并阐述了柔性锌离子储能体系在可穿戴电子器件的应用，展望了未来的发展前景。

作为电解质，首先最需要关注的是水凝胶电解质的机械性能，离子传输能力以及和锌负极的界面结合紧密性。机械性能主要包括拉伸强度，压缩强度和疲劳强度。考虑到柔性储能体系的工作条件，拉伸强度和压缩强度反映的是水凝胶电解质的极限载荷能力，体现在应力和应变上，而疲劳强度则反映了水凝胶电解质的循环载荷能力，确保反复形变后结构不会有损伤。离子传输能力则包括了离子导率和锌离子迁移数。良好的离子导率是电解质的重要指标，是确保容量和倍率性能的关键，而锌离子迁移数则代表锌离子在体系中的迁移能力，理想的锌离子迁移数可以有效缓解浓差极化，有利于快充快放。与锌负极的紧密结合可以很好保证电解质/电极界面在形变时不会分离，避免了柔性储能体系因为形变所导致的电化学性能的衰减。通常水凝胶电解质与正极材料的结合由于更大的接触面积会更强，因此与锌负极的结合紧密性更需要加以关注。

锌负极处由于表面形貌的不平整和较低的氧化还原电位，存在着枝晶生长和副反应的发生这两个问题，它们很大程度上限制了锌负极的可逆性。水凝胶电解质的采用，可以通过高模量机械抑制枝晶生长，调控锌离子流，诱导均匀成核，抑制活性水分子，诱导（002）晶面取向性沉积，优化界面组成成分这六种途径来稳定锌负极。对于正极来说，相较锌离子混合电容器所常用的较为稳定的活性炭材料，锌离子电池的正极材料的稳定性更需要加以关注。针对锌离子电池正极材料，水凝胶电解质可以通过抑制活性水分子，同离子效应限制正极水解，优化界面组成成分这三种途径来提升正极处的稳定性。

通过多功能水凝胶电解质的设计，可以赋予柔性锌离子储能体系对于不同工作环境的适应能力，主要有低温耐受性，高温耐受性，高温自终止保护机制，自愈合能力，防水能力以及可持续可降解这六种特性。前五个方面囊括了绝大多数可穿戴电子设备的应用场合，而最后一点则聚焦于废弃的水凝胶电解质的处理上。在这六点之中，目前对低温耐受性，高温耐受性和自愈合能力的关注较多，高温自终止保护机制和防水能力其次，这可能与所面向的应用场景相关。对于可持续可降解水凝胶的关注最少，这主要是受限于无毒和可降解材料的探索。

尽管水凝胶电解质基锌离子储能体系得到了广泛的关注，但仍然存在一些问题尚未解决。在水凝胶的基本性质方面，存在着水凝胶电解质的疲劳强度的相关研究较少，离子导率仍然低于液态电解质，锌离子具体的电迁移行为模糊，有时机械性能和离子传输能力相互冲突，凝胶老化问题这些挑战。在锌负极和正极的稳定策略上，主要挑战在于盐包水水凝胶和一些有机添加剂策略未必具有环保和安全的特征，离子在电极/水凝胶电解质的具体界面行为仍然难以确定，且相较于负极侧水凝胶电解质优化正极性能的研究较少。在水凝胶电解质功能性设计上，一些特殊的工作环境尚未加以考虑，低温耐受性的策略不够多样化，溶胶—凝胶转化模式的高温自终止保护机制难以与其他功能性相结合都是需要继续研究的方向。在柔性锌离子储能体系的器件结构及应用上，器件结构多样化，自驱动体系，多功能集成体系是需要继续努力的目标。除此之外，如何提高水凝胶电解质基锌离子储能体系的能量密度，如何研发水凝胶电解质的绿色制备原料也是值得关注的内容。

尽管水凝胶电解质基锌离子储能体系得到了广泛的关注，但仍然存在一些问题尚未解决。在水凝胶的基本性质方面，存在着水凝胶电解质的疲劳强度的相关研究较少，离子导率仍然低于液态电解质，锌离子具体的电迁移行为模糊，有时机械性能和离子传输能力相互冲突，凝胶老化问题这些挑战。在锌负极和正极的稳定策略上，主要挑战在于盐包水水凝胶和一些有机添加剂策略未必具有环保和安全的特征，离子在电极/水凝胶电解质的具体界面行为仍然难以确定，且相较于负极侧水凝胶电解质优化正极性能的研究较少。在水凝胶电解质功能性设计上，一些特殊的工作环境尚未加以考虑，低温耐受性的策略不够多样化，溶胶—凝胶转化模式的高温自终止保护机制难以与其他功能性相结合都是需要继续研究的方向。在柔性锌离子储能体系的器件结构及应用上，器件结构多样化，自驱动体系，多功能集成体系是需要继续努力的目标。除此之外，如何提高水凝胶电解质基锌离子储能体系的能量密度，如何研发水凝胶电解质的绿色制备原料也是值得关注的内容。

未来的发展，可以分为三个阶段。第一阶段在于性能优化，第二阶段在于便捷设计，第三阶段在于智能集成。绿色原料，先进表征手段和低成本则会是贯穿这三个阶段的关键词，分别对应绿色发展理念，充足技术支持和大规模商用前景。

Hydrogel Electrolyte Enabled High-Performance Flexible Aqueous Zinc Ion Energy Storage Systems toward Wearable Electronics

该工作是刘瑞远教授团队近期关于可穿戴能源材料与器件的最新进展之一。最近的五年中，团队聚焦于可穿戴电子器件的供电需求，开发了系列高效柔性能量捕获器件（Advanced Materials 2023, 35, 202305438；Advanced Energy Materials 2023, 13, 2204091；Nano Energy 2023, 106, 108081；Advanced Materials 2018, 30, 1705195；Advanced Materials 2018, 30, 1705918）和传感器件（Nano Energy 2022, 95, 106991；Nano Energy 2022, 95, 107056；Advanced Functional Materials 2018, 28, 1705808；Materials Today 2018, 21, 216）；面向从工作环境中获取能量用于器件运行的柔性自供电系统（Progress in Materials Science 2023, 138, 101156），团队也系统探索了集成发电和储能装置的柔性自充电电源（Nature Review Materials 2022, 7, 870; Advanced Energy Materials 2020, 10, 2000523）

团队长期招聘博士后和科研助理，研究方向包括但不限于柔性能量捕获/传感器件、功能材料、可穿戴电子器件等，有意者请联系刘老师：ryliu@suda.edu.cn。

http://flexible.energy.suda.edu.cn/main.htm