水系鋅離子電池（AZIBs）因其成本低、安全性高和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，成為下一代儲(chǔ)能器件的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而，傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)在寬溫域應(yīng)用中面臨電化學(xué)穩(wěn)定窗口窄、電極/電解質(zhì)界面不穩(wěn)定等問(wèn)題。近年來(lái)，水凝膠電解質(zhì)（HEs）已經(jīng)作為準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)被開(kāi)發(fā)用于AZIBs，兼具液態(tài)電解質(zhì)的高離子電導(dǎo)率和固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械穩(wěn)定性。

2025年9月23日，西安交通大學(xué)唐偉教授、東南大學(xué)吳宇平教授（國(guó)家杰青/非洲科學(xué)院院士）和四川大學(xué)張千玉副研究員在《Advanced Energy Materials》上發(fā)表題為“Hydrogel Electrolytes for Temperature Robust Aqueous Zinc-Ion Batteries”的綜述文章。該文指出，為拓寬AZIBs在極端環(huán)境（如極地科考、深空探測(cè)、夏季電動(dòng)汽車等）下的應(yīng)用，亟需開(kāi)發(fā)能在寬溫范圍（-50°C至100°C）內(nèi)穩(wěn)定工作的HEs。文章系統(tǒng)梳理了HEs在低溫（LTHEs）、高溫（HTHEs）及寬溫（L-HTHEs）條件下的失效機(jī)制，并總結(jié)了三大改性策略：高濃度鹽策略、添加劑引入策略以及熱自保護(hù)機(jī)制的設(shè)計(jì)。

在低溫改性方面，高濃度鹽（如Zn(BF?)?、ZnBr?）能通過(guò)離子-偶極作用破壞水分子間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，降低自由水含量，形成接觸離子對(duì)（CIPs）和聚集體（AGGs），優(yōu)化Zn2?溶劑化結(jié)構(gòu)，顯著降低凝固點(diǎn)。同時(shí)，添加乙醇、乙二醇、甘油等抗凍劑也能通過(guò)形成更強(qiáng)的水-添加劑氫鍵抑制冰晶形成。研究表明，采用Zn(BF?)?-PAM基HEs的電池在-70°C仍能穩(wěn)定工作，而浸泡于7.5 M ZnBr?的PAM水凝膠在-60°C下循環(huán)2000次仍保持良好性能。

在高溫改性方面，通過(guò)引入高沸點(diǎn)有機(jī)添加劑（如1,5-戊二醇、DMF）可重構(gòu)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，抑制水分蒸發(fā)和析氫反應(yīng)（HER），并原位形成熱穩(wěn)定的SEI層抑制枝晶和副反應(yīng)。例如，PAM-PAMPS-10PD凝膠在100°C下循環(huán)3000次仍保持穩(wěn)定。此外，熱響應(yīng)型水凝膠（如PNIPAM）能通過(guò)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)熱自保護(hù)，在高溫下阻斷離子遷移，防止熱失控。

在寬溫雙向調(diào)控方面，通過(guò)多元協(xié)同策略（如共溶劑、雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、陰-陽(yáng)離子共重構(gòu)）可同時(shí)提升低溫和高溫性能。例如，ZGBCP水凝膠通過(guò)陰-陽(yáng)離子溶劑化結(jié)構(gòu)共重構(gòu)策略，在-40°C至50°C范圍內(nèi)展現(xiàn)優(yōu)異離子電導(dǎo)和界面穩(wěn)定性。BM-gel電解質(zhì)結(jié)合乙二醇包覆和彈性涂層，在-20°C至80°C實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)。

該綜述還指出，未來(lái)的研究需深入揭示極端溫度下AZIBs的失效機(jī)制，開(kāi)發(fā)可逆交聯(lián)聚合物基質(zhì)，探索環(huán)保添加劑與可回收設(shè)計(jì)，并推動(dòng)WTHEs從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)?；瘧?yīng)用。通過(guò)人工智能輔助配方優(yōu)化、生物聚合物材料應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化回收流程建立，有望實(shí)現(xiàn)AZIBs在極端環(huán)境下的高效、安全儲(chǔ)能。

1、系統(tǒng)梳理寬溫水凝膠電解質(zhì)的失效機(jī)制與改性策略，涵蓋低溫凍結(jié)、高溫蒸發(fā)、枝晶生長(zhǎng)等關(guān)鍵問(wèn)題，并提出高濃度鹽、添加劑引入、熱自保護(hù)等多路徑解決方案。

2、突出多元協(xié)同改性策略的優(yōu)越性，如陰-陽(yáng)離子共重構(gòu)、雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合等，實(shí)現(xiàn)-70°C至100°C寬溫域內(nèi)電池穩(wěn)定運(yùn)行。

3、前瞻性提出未來(lái)研究方向，包括AI輔助材料設(shè)計(jì)、可降解水凝膠開(kāi)發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化回收體系構(gòu)建，為AZIBs的實(shí)用化與商業(yè)化提供理論支撐和技術(shù)路徑。

圖1 WTHEs在極端溫度下面臨的主要挑戰(zhàn)圖示

圖2 高濃度鹽策略調(diào)控Zn2?溶劑化結(jié)構(gòu)與抗凍機(jī)理

圖3 高溫下有機(jī)添加劑優(yōu)化溶劑化結(jié)構(gòu)與均勻離子傳輸

圖4 熱自保護(hù)水凝膠的熱響應(yīng)相變與水分調(diào)控機(jī)制

圖5 寬溫雙向調(diào)控策略中的協(xié)同改性機(jī)制與性能總結(jié)

該綜述系統(tǒng)總結(jié)了面向?qū)挏貞?yīng)用的水凝膠電解質(zhì)在AZIBs中的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了其在極端溫度下的失效機(jī)理及改性策略。通過(guò)高濃度鹽、抗凍/耐熱添加劑、熱自保護(hù)機(jī)制以及多元協(xié)同設(shè)計(jì)，顯著提升了AZIBs在-70°C至100°C范圍內(nèi)的電化學(xué)性能與安全性。未來(lái)研究應(yīng)聚焦于機(jī)理深度解析、智能材料開(kāi)發(fā)、綠色可持續(xù)工藝及規(guī)?；圃?，以推動(dòng)AZIBs在極端環(huán)境儲(chǔ)能領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202503226

來(lái)源：新能源前沿