近日，化学与化工学院武培怡教授、焦玉聪研究员团队在柔性水系锌离子电池领域取得新进展，相关成果以“Proton-Reservoir Hydrogel Electrolyte for Long-Term Cycling Zn/PANI Batteries in Wide Temperature Range”（水凝胶质子库助力宽温域范围内的高性能水系锌离子电池）为题，发表在Angewandte Chemie International Edition（德国应用化学）上，东华大学为唯一署名单位，论文第一作者为东华大学2020级博士生冯豆豆，通讯作者为武培怡教授和焦玉聪研究员。

水系锌离子电池因其在安全、成本和环保方面显著的优势，成为一种极具发展前景的储能设备。正极材料作为决定电池电化学性能的关键一环，近年来引起了广泛的关注。具有长π-电子共轭结构和丰富活性位点的聚苯胺（PANI）具有高的导电性和离子迁移率，其作为正极材料在水系锌离子电池中展现出良好的储能能力。然而，PANI在电化学过程中存在明显的去质子化问题，这严重影响了其结构稳定性和氧化还原动力学，导致有限的电化学性能。另外，锌金属负极一侧锌枝晶和副反应及水系电解质在低温下冻结的问题，也进一步限制了电池的实际应用前景。因此，探索一种简单的策略，协同增强锌离子电池在宽温度范围的电化学性能具有重要意义。

基于此，武培怡/焦玉聪研究团队提出了聚合物酸凝胶电解质策略用于增强Zn/PANI电池在宽温度范围内的电化学性能。聚合物酸上的丰富磺酸基团不仅可以作为质子库在电化学过程中缓慢电离抑制PANI质子化，还可以诱导Zn2+沿002晶面无枝晶沉积，同时增强PANI正极和Zn负极的稳定性。另外，3M Zn(ClO4)2作为电解质盐增强了电池的抗冻性能。该工作所开发的聚合物酸的凝胶电解质为探索高性能的水系锌离子电池系统提供了一种新的思路。

图1 质子库水凝胶增强电池性能机制示意图

图2 相应Zn/PANI电池在低温下优异的性能

【文献链接】

Doudou Feng, Yucong Jiao* and Peiyi Wu*, Proton-Reservoir Hydrogel Electrolyte for Long-Term Cycling Zn/PANI Batteries in Wide Temperature Range, Angew. Chem. Int. Ed.

https://doi.org/10.1002/anie.202215060

武培怡/焦玉聪团队今年在电池领域已经开展了一些其它相关工作包括： Hofmeister效应调控氢键改善电化学性能（Adv. Mater. 2022, 34, 2110140）；带电功能官能团调控Zn2+ 002晶面沉积抑制枝晶及副反应（Adv. Sci. 2022, 9, 2104832）； 两性离子粘接剂调控多硫离子吸附（ACS Nano, 2022, 16, 8449）; DMSO添加剂调控水氢键及溶剂化结构（Small 2021, 17, 2103195）；自适应粘塑性的凝胶优化界面（Nano Res. 2022, 15, 2030）。