近日，我院曾燕飞老师研究团队在新型凝胶电解质研发上取得重要突破。团队借鉴了凝胶电解质在传统镍铁电池中的应用经验，通过分子设计创新，成功开发出一种名为“SHARK-Gel”的低交联凝胶电解质。该材料在锌离子电池中实现了离子输运机制从“被动阻挡”到“主动导引”的跨越，有效解决了锌离子电池倍率性能差、循环寿命短等关键难题，为开发下一代高功率、长寿命的水系储能器件提供了全新思路。

凝胶电解质“跨界”出击：从镍铁电池到锌离子电池的突破之路

水系电池因其本征安全、环境友好和低成本，在大规模储能领域备受关注。然而，无论是传统的镍铁电池，还是新兴的锌离子电池，都面临着电极/电解质界面不稳定、副反应严重、循环寿命有限等共性挑战。研究团队早期在镍铁电池中发现，引入海藻酸钠、聚丙烯酰胺等聚合物凝胶可形成致密层，有效抑制铁负极的析氢副反应和体积膨胀，将电池循环稳定性提升3倍以上。这一经验为锌离子电池的凝胶设计提供了重要启示。针对锌离子电池对倍率性能的更高要求，团队进一步突破了传统高交联密度凝胶中离子通道曲折、锌离子迁移数低的瓶颈。

机制创新：“可逆配位跳跃”实现离子高效输运

针对上述挑战，曾燕飞老师团队开发的新型低交联凝胶电解质（SHARK-Gel），在分子层面实现了创新。该电解质采用聚丙烯酰胺（PAM）和海藻酸钠（SA）构建网络，SA的–COO⁻与PAM的C=O基团交替排列，形成连续的“可逆配位跳跃水合带”（RCHB）。锌离子可在这些位点间快速“暂住-跳跃”，而非完全自由扩散，从而显著提升迁移效率。

（HC-PAM与SHARK-Gel中Zn2+传导的机制示意图）

性能突破：高倍率、长循环与高安全性兼得

实验表明，SHARK-Gel实现了高达0.88的锌离子迁移数（传统凝胶通常低于0.5）和6.49 mS·cm⁻¹的离子电导率。密度泛函理论计算证实，PAM与SA的协同配位作用为锌离子提供了低能垒的跳跃路径。聚合物骨架的电子绝缘特性有效抑制了寄生反应。

对称电池测试中，采用SHARK-Gel的Zn||Zn电池在1 mA·cm⁻²下稳定循环超1000小时，锌负极表面平整致密，无枝晶生长，而传统凝胶则出现大量尖锐突起。COMSOL模拟揭示，SHARK-Gel能平滑界面电场和离子通量分布，延长枝晶起始时间，迫使锌沉积由三维扩散转向二维层状生长。

全电池测试中，Zn||NVO电池在10 A·g⁻¹的高电流密度下循环10000次后容量保持率达66.48%；即使在25 A·g⁻¹极端倍率下，5500次循环后容量保持64.41%，库仑效率始终接近100%。倍率测试中，电流从1 A·g⁻¹升至45 A·g⁻¹再返回，容量几乎完全恢复。自放电测试中，SHARK-Gel静置24小时后库仑效率高达93.14%，而传统凝胶仅1.6%，凸显其抑制副反应的能力。

柔性可弯折：拓宽应用场景

除了电化学性能优异，SHARK-Gel兼具优异机械性能：拉伸强度达760 kPa，断裂伸长率超过500%。基于此组装的软包电池在不同弯折角度（0°、90°、180°甚至720°）下均能稳定点亮LED灯，这是传统镍铁电池难以企及的场景，展示了其在柔性电子器件中的巨大应用潜力。

（图为柔性电池示意图及LED照片）

展望

从镍铁电池的界面调控，到锌离子电池的“主动导引”离子输运，曾燕飞老师团队的这项研究不仅为提升锌离子电池性能提供了有效方案，也展示了凝胶电解质设计理念的演进。未来，这种“连续水合带-可逆配位跳跃”机制有望拓展至其他水系多价金属电池，为构建高功率、长寿命、高安全性的下一代储能技术贡献新范式。（初审：曾燕飞、韩燕；复审：刘敏 终审：唐彬彬）