课题组博士生夏欢在锌离子电池单离子导体水凝胶电解质方面取得进展
东南大学材料科学与工程学院孙正明教授、章炜副教授和南京工业大学缪春洋副教授在单离子导体水凝胶电解质方面取得进展，相关成果以“Single-Ion Conducting Hydrogel Electrolytes based on Slide-ring Pseudo-polyrotaxane for Ultra-long Cycling Flexible Zinc-Ion Batteries”为题发表在材料类顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。
柔性锌离子电池因其高能量密度、低成本和本质安全的特性，成为便携式和可穿戴电子产品的有前途的电源。为了满足当今许多柔性设备的需求，研究人员已经开发了水凝胶电解质，旨在在各种机械应变（如弯曲、折叠或剪切）下保持锌离子电池的完整性。水凝胶电解质的基质通常是通过将水盐溶液饱和至溶胀状态来获得更高的离子电导率。然而，由于水的强增溶作用，水凝胶的分子网络会充分扩展，导致与电极的紧密接触减少，进而恶化其机械性能。此外，大量的水不可避免地增加了水凝胶电解质的质量，从而显著降低了锌离子电池的能量密度。因此，在相对较低的水含量条件下，保持水凝胶电解质的稳定离子电导率是实现高性能柔性锌离子电池的关键。在低含水量下提高锌离子迁移率的一种有效策略是调控水凝胶骨架，以限制阴离子的运输并增加游离锌离子的数量，从而显著提高阳离子的转移数，使系统成为接近单离子导体的电解质。通过限制阴离子的迁移，可以有效抑制可能导致浓度梯度和极化引起的枝晶生长，从而实现在锌金属表面稳定的沉积和剥离过程，这对于提高锌离子电池的循环性能至关重要。
因此，设计了一种具有滑环结构的准聚轮烷（PPR）的单锌离子导电水凝胶电解质（CD-PEO/PAM），准聚轮烷由线性聚合物（聚氧化乙烯，PEO）和环形分子（α-环糊精，CD）组成。这种电解质特殊的结构，使得其中的CD分子能够沿着网络链滑动，并且阴离子可以被限制在两个CD 之间，锌离子可以沿着PEO链从环的外部传导从而实现了锌离子的高效传导，锌离子迁移数为0.923，离子电导率22.4 mS cm-1。同时，由于锌离子的高迁移率，可以有效地抑制枝晶生长，从而保持锌负极表面的稳定性，并改善柔性锌离子电池的循环稳定性，在5 A g-1的电流密度下，经过3500次循环后表现出90.2%的优异容量保持率。
图1. CD-PEO/PAM 水凝胶的制造过程示意图，其中阴离子可以被限制在两个环形 CD 之间，Zn2+可以沿着环的外部传导以形成单锌离子导体水凝胶电解质。
东南大学材料科学与工程学院为该论文第一完成单位，博士生夏欢为第一作者，东南大学孙正明教授、章炜副教授和南京工业大学缪春洋副教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费和国家留学基金委的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202301996