随着储能需求的不断飙升，人们迫切需要能够应对极端条件的电池。为可穿戴设备和软机器人等快速发展的系统提供安全且稳定运行的电池，在医疗保健、能源、环境以及机器自主和智能方面发挥着关键作用。为了实现这一目标，开发新型软电解质材料(包括隔膜)至关重要，这些材料能够保持高离子导电性，并能够承受冲击，以防止短路和抵抗枝晶生长，从而在广泛的温度范围内保持电池稳定性。使用有机电解质的锂电池面临着储备元素(如钴)有限、毒性、高反应性和可燃性等挑战，而含水锌电池由于其固有的安全性、生态友好性和低生产成本，近年来引起了人们的极大兴趣。

在此，来自加州大学的Ximin He团队利用共非溶解性和“盐析”的协同作用制备出具有独特多孔结构的聚(乙烯醇)(PVA)水凝胶电解质。特别地，醋酸钾(KAc)与醋酸锌(ZnAc2)的混合盐溶液结合了“盐析”和抗冻能力，并通过离子促进链聚合有效地增韧PVA水凝胶。该水凝胶电解质同时结合了高强度(抗拉强度15.6 MPa)、耐冻性(<−77 °C)、高传质(低10倍过电位)以及抑制枝晶和副反应，从而实现了锌离子电池30000次的稳定循环。相关论文以题为“Tough Hydrogel Electrolytes for Anti-Freezing Zinc-Ion Batteries”发表在Advanced Materials上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202211673

图1. 通过共非溶剂化和“盐析”的协同作用实现强抗冻水凝胶电解质。A) 制造原理图。B) 水凝胶电解质的照片。C) 水凝胶条举起500克重物的照片，显示了它的强度。D)在−30°C扭曲水凝胶条的照片，显示其抗冻能力。

图2.“盐析”和共非溶剂化的协同效应。A) 共非溶剂化-“盐析”水凝胶和仅共非溶剂化水凝胶的应力-应变曲线。共非溶剂化-“盐析”水凝胶和仅“盐析”水凝胶的拉伸B)和压缩C)试验。D) 开放电池水凝胶(来自共非溶剂化)的照片显示光滑和平坦的表面。E, G)分别为开孔和半闭孔水凝胶的SEM图像。F, H)分别用开孔和半闭孔水凝胶电解质制成的Zn||Zn对称电池在−20℃和25℃时的电压曲线。I-K) 25°C和- 30°C下不同溶液对水凝胶的拉伸试验结果。

图3. Zn||PVA-416||PANi电池在25℃、-20℃和-30℃下的电化学性能。A-C) 电池的倍率性能。D-F) 电池的充放电曲线。G-I) 电池循环性能。插图为不同循环下的充放电曲线。

图4. 水凝胶电解质的机械和韧性实现耐用的软包电池。A) 软包电池示意图。B) 锤击测试装置。C) 玻璃纤维隔膜和PVA-416撞击后的照片。D) 比较水凝胶电解质的性能与目前技术水平的雷达图。E)汽车碾过软包电池的照片。

综上所述，本文提出了一种利用KAc/ZnAc2溶液的共非溶剂性和“盐析”协同作用，制备具有抗冻性能、高机械韧性、增强质量传输、抑制枝晶和副反应的水凝胶电解质的方法。用这种水凝胶电解质制成的准固态防冻电池在-20°C、2 A g-1下表现出超过3万次循环的超高容量保持，并能承受锤子或车辆的反复撞击。遵循这一策略，该平台可能与其他盐和工艺一起规模化，用于更广泛类型的电池系统。这项工作可能会拓宽软电器件的应用条件，并为下一代柔性电池提供一种新的思路。(文：Meiko)。