近日，Angewandte Chemie International Edition在线发表了新疆大学吴冬玲教授团队最新研究成果“Advanced Eutectogel Electrolyte for High-Performance and Wide-Temperature Flexible Zinc-Air Batteries”。新疆大学化学学院、省部共建碳基能源资源化学与利用国家重点实验室博士研究生Yafen Zheng为论文第一作者，新疆大学吴冬玲教授为通讯作者，新疆大学为第一署名单位。
凝胶聚合物电解质（GPE）具有高安全性和优异的离子传输能力，可显著提升柔性锌-空气电池（FZAB）的稳定性和安全性。以聚乙烯醇（PVA）水凝胶为代表的GPE已被广泛研究，但其亦存在保水能力弱、与锌阳极匹配性差、高温挥发和低温冻结等问题，限制了PVA水凝胶在极端环境中的应用。
针对上述瓶颈，本工作开发出一种由氯化胆碱（ChCl）和乙二醇（EG）组成的低共熔凝胶。由于胆碱阳离子（Ch+）对金属阳极的界面调控以及低共熔凝胶诱导的强氢键相互作用和更密集的聚合物网络，低共熔凝胶有效抑制了锌枝晶生长，表现出突出的保液能力、高离子电导率和宽工作温度。由其组装的FZAB具有优异的电化学性能，显示出在极端环境下的应用潜力。
图1：ChCl/EG-PVA 低共熔凝胶电解质的制备流程与力学柔性性能
研究团队针对传统PVA碱性水凝胶电解质保液能力弱、离子电导率偏低、与锌负极兼容性差、易挥发冻结及锌枝晶易生长的问题，设计了ChCl/EG-PVA（CEP）低共熔凝胶电解质。该电解质通过构筑强氢键与致密聚合物交联网络优化离子传输与保液性能，依托胆碱阳离子的亲锌性调控锌负极界面并抑制枝晶生长，同时赋予体系宽温域适应性，为实现高性能、宽温柔性锌空电池的长循环稳定运行奠定了关键界面与材料基础。
图2：低共熔凝胶的温抗性能、微观结构与分子作用机理
团队利用FTIR、Raman、SAXS、SECM、DSC及分子动力学（MD）模拟系统分析CEP低共熔凝胶与HP、EP凝胶的微观结构、氢键作用、温域稳定性及分子间相互作用。结果表明，CEP凝胶内部形成更多更强的氢键，聚合物交联网络更致密，反应动力学与活性物质传输效率更优；DSC与抗干燥测试显示，CEP 凝胶在-60 ℃无结冰峰、室温放置5天质量损失仅4wt%，抗冻与抗挥发性能远优于传统水凝胶；MD模拟结果进一步证明，CEP与H2O、EG形成更多氢键且相互作用更强，为其具备超高保液性与优异结构稳定性提供了实验与机理证据。
图3：低共熔凝胶与锌阳极的界面作用及锌枝晶抑制效果
该图围绕低共熔凝胶与锌阳极的界面相互作用展开测试，通过Zeta电位、接触角、XPS与DFT计算，证实胆碱阳离子（Ch+）具有亲锌性，可静电吸附在锌电极表面、提升电解质润湿性且热力学亲和性最优；搭配Zn||Zn对称电池循环与电极形貌表征，发现CEP电解液可使对称电池循环寿命达60 h，远高于传统水凝胶，且循环后锌电极表面无枝晶生成，有效抑制锌枝晶生长。
图4：Ce-CoO空心微球催化剂的结构表征
该图对Ce-CoO空心微球催化剂进行全方位结构与性能测试，原位Raman证实其催化氧还原反应（ORR）遵循四电子转移路径，XANES与WT-EXAFS解析出原子级结构，明确Ce-O配位且Ce与CoO存在强相互作用，Ce掺杂优化了催化剂电子结构，SAXS表明催化剂呈各向同性，可充分暴露活性位点，显著加速 ORR反应动力学。
图5：柔性锌空电池的电化学性能与宽温域应用表现
该图全面测试了基于CEP电解质的FZAB性能，电池开路电压1.35 V且稳定超27 h，峰值功率密度达109.3 mW cm-2，可稳定循环90 h无明显效率衰减；原位Raman证实凝胶具备高效的氧扩散与活性物质传输能力，同时在- 0~50 ℃宽温域内，电解质离子电导率保持在63.8~254.5 mS cm-1，电池在-40 ℃、50 ℃下仍能分别输出38.2 mW cm-2、63.2 mW cm-2的功率密度，具备优异的极端温度适配能力。
综上所述，本研究提出了一种基于低共熔溶剂调控氢键网络与锌负极界面的柔性锌空电池凝胶电解质设计策略。该策略通过构筑ChCl/EG-PVA强氢键与致密聚合物交联结构，依托胆碱阳离子的亲锌特性协同优化电解质传输性能与电极界面稳定性，有效提升保液能力、拓宽工作温区并抑制锌枝晶生长。该工作为高性能、宽温域、长循环柔性锌空电池的电解质开发与界面调控提供了新的理论依据和技术路径。
在该研究工作中，新疆大学分析测试中心围绕相关研究方向提供透射电子显微镜分析（日本电子JEM-F200，负责人：白星星）、扫描电子显微镜形貌分析（日立SU8600，负责人：施敏）微观结构表征、X射线光电子能谱（赛默飞Escalab250Xi，负责人：郭勇）、原位拉曼（法国HORIBA LabRAM HR Evolution，负责人：唐军）测试等支撑。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418223
供稿：白星星；编辑：白星星；审核：金钟。
