水系锌电池发展趋势与需求
随着电子产品的不断开发，与之相匹配的储能技术也在不断调整。水系锌离子电池（ZIBs）因其高理论体积能量密度成为新一代储能设备的理想候选者。由于ZIBs使用水系电解质，使得安全性成为其固有属性，这使得ZIBs在柔性可穿戴领域内赶超锂离子电池成为可能。高能量密度柔性锌电池成为ZIBs的发展新趋势。
考虑到未来须进一步将电池集成到可穿戴系统中，这就对电池的能量密度提出了要求，可穿戴电池的体积能量密度至少达到100 Wh L-1。
水系锌电池存在问题
水凝胶电解质由于兼具固态电解质机械性能与液体电解质离子传输性能，使得这种准固态材料成为制备可穿戴电池电解质的理想选择。然而，传统的凝胶电解质往往都存在厚度大的问题(>100 μm)，由于电解质与锌负极之间存在不可控锌枝晶生长及剧烈副反应的问题，这会导致电解液快速消耗。这严重影响了可穿戴锌离子电池的体积能量密度(<70 Wh L-1)，使得可穿戴锌离子电池的发展面临巨大挑战。
本文解决策略
(1) 通过在电解质溶液中再生纤维素凝胶的溶剂残留策略，设计了一种具有梯度疏水界面的超薄纤维素凝胶电解质(DCG, 10 μm)，构筑了高性能可穿戴锌离子电池。
(2) 通过该策略使得凝胶再生过程中锌离子与纤维素之间形成配位键，增强了凝胶机械性能，使得其厚度减小的同时构建锌离子快速传输通道。
(3) 通过该策略残留在DCG中的微量低共熔溶剂(DES, 1%)，可有效减轻副反应，引导锌以(002)晶面平面沉积，提高电池稳定性。
(4) 通过使用柔性锌织物电极与V2O5纸电极组装柔性软包电池，成功降低器件整体厚度，将含有DCG的柔性Zn||V2O5电池能量密度提高到222 Wh kg-1和214.3 Wh L-1，达到锂离子电池水平。
研究内容
该研究设计了一种具有梯度界面的超薄纤维素凝胶电解质(DCG，10μm)，旨在提高柔性可穿戴锌电池的稳定性和能量密度。DCG通过溶解-再生工艺制备而成，在这个过程中锌离子与纤维素之间形成配位键并构成锌离子快速传输通道。制备过程中，微量的低共熔溶剂（DES，1 %）作为添加剂被保留下来。在电场作用下，DES会迁移到锌负极表面，取代水分子并形成梯度疏水界面，从而减轻副反应；并引导锌以(002)晶型平面沉积，从而防止枝晶生长并提高可逆性。因此，使用DCG的Zn||Cu电池库仑效率(CE)可达99.9%，组装的Zn||Zn对称电池拥有超过4000小时的超长循环寿命。在严格的控制下，柔性Zn||V2O5电池性能稳定，能量密度达到222 Wh kg-1和214.3 Wh L-1，超过了之前报道的锌电池技术并达到锂离子电池水平。该纤维素凝胶电解质已成功应用于可穿戴手表，突显了其在可穿戴电子产品中更广泛应用的潜力。
国际相关领域水平
该研究设计的DCG是目前有文章报道以来最薄的凝胶电解质(10 μm)；且DCG是对现有纤维素共晶凝胶电解质储能家族的一个很好的补充。
研究基础
该研究成果基于团队在木质纤维溶剂及纤维素凝胶领域的多年探索。团队曾在Chemical Engineering Journal、Carbohydrate Polymers、International Journal of Biological Macromolecules等国际期刊上发表多篇论文。
Chemical Engineering Journal, 2024, 495, 153280.
Chemical Engineering Journal, 2021, 408, 127306.
Carbohydrate Polymers, 2024, 345, 122491.
International Journal of Biological Macromolecules, 2023, 242, 125113.
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文献信息
该成果以”Ultrathin cellulosic gel electrolyte with gradient hydropenic interface for stable, high-energy and flexible zinc batteries”为题发表于国际知名期刊《Energy & Environmental Science》。研究工作得到华南理工大学先进造纸与纸基材料全国重点实验室自主研究课题基金（2023ZD01、2023C02、 2024ZD02)）等的资助。
Jichao Zhai, Wang Zhao, Lei Wang*, Jianbo Shuai, Ruwei Chen, Wenjiao Ge,Yu Zong, Guanjie He* and Xiaohui Wang*, Ultrathin cellulosic gel electrolyte with gradient hydropenic interface for stable, high-energy and flexible zinc batteries, Energy Environ. Sci., 2025, 18, 4241.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d5ee00158g