【原】【材料】华中科技大学夏宝玉教授课题组：具有双网络水凝胶电解质的固态可充锌空气/碘化物混合电池

导语

社会的快速发展导致对能源的需求日益增加，锌空电池由于具备高能量密度、低成本和环境友好型等优势有潜力成为锂离子电池的替代品。然而，液态锌空电池面临的电解液泄露、枝晶等问题严重阻碍其性能，特别是半开放体系带来的不可避免的水挥发问题，对于实现高性能锌空电池仍是一个不小的挑战。针对该问题，华中科技大学夏宝玉教授课题组报道了一种由聚丙烯酰胺（PAM）、海藻酸钠（SA）和碘化钾（KI）构成的双网络结构的水凝胶电解质，由于I^-/IO₃^-氧化还原反应取代了氧电催化反应，因此其组装的密闭固态可充锌空气/碘化物混合电池具有优异的循环稳定性（110 h）、高能量效率（80%）和可再生性。相关研究成果以“Dual-Network Structured Hydrogel Electrolytes Engaged Solid-State Rechargeable Zn-Air/Iodide Hybrid Batteries”为题发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202210567）。第一作者为刘晴晴，通讯作者为夏宝玉教授；通讯单位为华中科技大学。

前沿科研成果

具有双网络水凝胶电解质的固态可充锌空气/碘化物混合电池

作者利用原位聚合的方法合成了由聚丙烯酰胺（PAM）、海藻酸钠（SA）和碘化钾（KI）构成的双网络水凝胶电解质（图1），然后通过FTIR和SEM等表征手段对PAM/SA/KI凝胶电解质进行了表征。

图1. 电解质制备及表征（来源：Angewandte Chemie International Edition）

由于引入的SA产生的多孔结构和KI的水合作用，PAM/SA/KI凝胶电解质具有更好的电解液吸收能力、保水性和离子电导率。SA与Zn²⁺形成的离子交联网络也提升了PAM的机械性能（图2）。

图2. 电解质性能测试（来源：Angewandte Chemie International Edition）

随后作者将制备的凝胶电解质组装成电池，发现PAM/SA/KI基电池具有更长的放电时间（14h）和循环稳定性（28h）。有趣的是，对PAM/SA/KI基电池进行密封测试，发现放电时间（40h）和循环时间（110h）都大大增加（图3）。

图3. 电池性能测试（来源：Angewandte Chemie International Edition）

为了探究循环性能增加的具体原因，作者进行了不同电解液的LSV测试，发现O₂/OH^-和IO₃^-/I^-两种反应同时发生在正极，特别是IO₃^-/I^-反应具有更低的反应能垒，因此降低了充电电压并提高了能量效率。此外，I^-通过参与Zn²⁺的配位结构从而抑制负极副反应（枝晶和腐蚀）。更重要的是，密闭电池也有效防止了水挥发的问题。

图4. KI对正负极的影响（来源：Angewandte Chemie International Edition）

总结：

本研究报道了一种通过原位聚合的方法制备的新型双网络结构的PAM/SA/KI水凝胶电解质，其组装的密闭电池具有长达110h的循环寿命、高能量效率（80%）和优异的可再生性。因此提出了一个新的锌空气/碘化物混合电池的概念，为未来发展高性能电池提供了一定的指导。