水凝胶电解质依靠聚合物链段及其官能团的作用，能够精准调控水的氢键网络，从而有效抑制水系锌离子电池中由水引发的不良反应。然而，传统凝胶电解质为维持较高的离子电导率，通常需要超过80%的含水量，这不仅容易诱发严重的界面副反应，其低温适用范围也局限于~ ?40 °C。一旦进一步降低水含量，离子电导率会急剧下降，界面阻抗显著增大。尽管近年来在贫水凝胶电解质的设计上已有探索，但多仅适用于室温条件，动力学性能仍不理想。电解质含水量与离子传输动力学之间的矛盾难以调和，已成为限制低温锌离子电池发展的关键瓶颈。因此，亟需开发新型贫水凝胶电解质体系，以在低水含量下兼顾高效离子传输。

  近期，哈尔滨工业大学张乃庆教授团队提出了water-in-polymer新策略，成功突破了锌离子电池的低温瓶颈。该策略的创新性主要体现在三个方面：（1）独特的聚合方法：利用电解液中的原生质子直接引发共溶剂聚合，无需额外引发剂或交联剂。在消耗质子的同时实现了线性短链聚合（低空间位阻），从而保持快速的离子传输过程；（2）优异的低温性能：残余单体与聚合物共同维持弱溶剂化环境，使锌离子能够快速脱溶剂化，降低界面浓差极化；（3）兼顾正负极需求：低水/质子含量最大限度提升了锌的热力学稳定性，同时抑制了H⁺在正极材料中的嵌入，保证了在正极材料在高负载条件下的稳定循环。

图1：water-in-polymer与传统交联聚合物工作示意图对比

图2：电解质聚合过程及相关性质表征：a) 红外光谱对应于不同 DOL 的引入检测。b)电解质中氢键数量的分子动力学模拟(LE，液体电解质；GE，凝胶电解质)。c) 采用 LSV 法进行电解质的 ESW 测试。d) DOL 和 PDOL 的化学结构。e) 不同时间聚合条件下的相应核磁共振监测 (d，天)。f) 在各种温度下对应于 GE 的离子电导率测试。g) 将 GE 电解质的离子电导率与报道的水凝胶电解质在不同温度下的离子电导率进行了比较。h) 2 m Zn(OTF)₂ 电解质的径向分布函数。i) GE 电解质的径向分布函数。

  通过弱溶剂化DOL 定向聚合策略成功开发了一种聚合物包水、耐低温、高稳定性的凝胶电解质。电解液中的水分子被聚合物限制，实现了 2.59 V 的宽电化学窗口，保证了电极的稳定性和副反应抑制。该电解质凭借其独特的快速离子传输通道和界面处的弱溶剂化环境，实现了锌离子的快速传输和脱溶剂化，在 -70℃ 时保持了 0.36 mS cm^-1 的高离子电导率。使用GE 的对称电池在 25℃ (1 mA cm^-2–1 mAh cm^-2)下的循环寿命超过 10000 小时，即使在 70% 的充放电深度下也可以循环 3500 小时。在 -70℃ 的极端温度下，也可以稳定循环 1000 小时以上。此外，聚合物包水电解质通过抑制正极材料的H⁺共插层，优化了正极离子存储机制。该机制避免了绝缘ZHF 的产生，从而实现了正极材料在高负载下的高效利用。在电流密度为 0.5 A g^-1、负载量为16 mg cm^-2 的条件下，经过150 次循环后，其容量仍保持在 192 mAh g^-1。这项工作为适应低温的电解质设计提供了新的见解，这对于促进电池在极寒条件下的应用具有重要意义。

  以上研究成果近期以“Lean-Water Gel Electrolyte Enables Zinc Ion Battery at ?70℃”为题，发表在《Angewandte Chemie International Edition》(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202511520)上。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202511520