水系锌离子电池由于其环保、安全、低成本的优点，是有前途的下一代储能设备。尽管优势突出，但水系锌离子电池的实际应用仍然受限于锌负极的不稳定性。在循环过程中，锌负极和水溶液电解质之间会由于锌的沉积和溶解不均匀形成不可避免的枝晶。同时，电极不规则的表面和高电流密度等因素也会进一步加剧枝晶生长。因此，锌枝晶会从负极表面延伸至隔膜，从而可能刺穿隔膜导致短路和电池故障。此外，锌负极与水溶液电解质之间发生的副反应还会腐蚀负极表面、消耗活性锌金属。

  近日，福州大学吕晓林副教授在《Advanced Materials》上发表文章《A Robust and Tough Composite Hydrogel Electrolyte with Anion-Locked Supramolecular Network for Zinc Ion Batteries》，报道了一种具有3D超分子网络的复合水凝胶电解质（CHE），能够通过芳纶纳米纤维（ANF）、聚乙烯醇（PVA）和阴离子之间丰富的氢键相互作用来锁定阴离子和活性水分子，从而促进界面调节、抑制副反应。该网络协同增强了机械性能、离子电导率和Zn²⁺迁移数（图1）。同时，其高模量和抗穿刺能力还可以有效抑制枝晶的形成。该工作为设计用于锌离子电池的高性能水凝胶电解质提供了新的思路。

图1. 水凝胶电解质的制备过程和性能对比

  如图2和3所示，相比于PVA水凝胶电解质（PHE）和液态电解质（LE），CHE具有更高的力学性能和更优异的离子传输特性，可以有效拓宽锌离子电池的电化学窗口、抑制枝晶生长、减少副产物的形成。

图2. 水凝胶电解质的力学性能和电学性质

图3. 水凝胶电解质增强负极的电化学性能

  以上结果表明，CHE优异的力学和电学性质可以协同增强Zn负极的稳定性。如图4所示，Zn||CHE||Zn对称电池在1 mA cm^?2/1 mAh cm^?2和5 mA cm^?2/5 mAh cm^?2下的循环寿命分别可以超过2800 h和1500 h。CHE在600圈时的平均库伦效率达到99.1%。在1 A g^?1下，组装的Zn||PANI全电池在经过9100次循环后，其容量保持率仍高达78%。

图4. 水凝胶电解质增强锌负极的稳定性

图5. Zn||PANI全电池循环性能

  福州大学材料科学与工程学院2022级硕士生杜泽杭为论文第一作者，2022级硕士生沈胜涛为共同第一作者，福州大学吕晓林副教授和吴明懋副教授为论文的通讯作者。论文得到了邹志刚院士的指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金项目、福建省光电信息科技创新实验室、福建省自然科学基金项目、国家重点研发计划等基金项目的资助。

  论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202502328