锌金属电池因其高安全性、丰富资源和水系环境友好性，在大规模储能领域具有重要前景。然而，锌负极普遍存在枝晶生长、析氢副反应和电解腐蚀等问题，严重限制其稳定循环寿命。凝胶电解质是目前有效缓解锌负极三大问题的方法之一，但仍面临离子电导率低和机械强度不足等问题，并且大多数人工水凝胶不可生物降解、不可回收，大量废弃的凝胶电解质会造成严重的环境与经济问题。本工作开创性地提出了一种受骨头多级结构启发的可持续凝胶电解质，为高性能、可持续锌金属电池的构建提供了全新设计思路与有效解决方案。 近日，北京化工大学王峰教授、牛津教授团队在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Bone-Inspired Sustainable Hydrogel Electrolytes for Zn Metal Batteries”的文章。该工作制备了一种具有超长纳米纤维结构和超高室温离子电导率（18.7 mS cm-1）的新型锌离子导体材料锌掺杂羟基磷灰石（Zn-HA），受骨头启发，将Zn-HA与明胶（Gel）复合制得凝胶电解质（Zn-HA-Gel），同时具有高离子电导率、高离子迁移数、高机械强度、生物相容性、可回收可降解性等特点，有效应对了当前锌负极面临的多重挑战。
对Zn-HA的形貌结构进行表征，结果表明锌掺杂不会影响羟基磷灰石的晶体结构，超长纳米纤维相互交织形成网络结构。为了验证Zn-HA的高导锌作用，设计制作了纳米器件用于评估单根纳米线的离子电导率，测得Zn-HA单根纳米线的离子电导率高达18.7 mS cm-1，在空气中放置半年后形貌结构和性能均没有明显变化，表现出优异的环境稳定性。综合以上性能说明，Zn-HA是一种非常优异的锌离子导体。 Zn-HA本身具有优异的机械性能并且和明胶之间存在相互作用，与明胶复合后使得Zn-HA-Gel具有高机械强度。这种高机械强度能够有效抑制枝晶的生长与刺穿，从而提升水系锌金属电池（AZMBs）的循环稳定性与倍率性能。锌离子导体Zn-HA加入将Zn-HA-Gel的离子电导率提升至32.5 mS cm-1，并且在低含水量条件下仍具有高离子电导率。由于Zn-HA与明胶、SO42-、H2O等之间均存在相互作用，Zn-HA-Gel还具有高保水性、低去溶剂化能、高离子迁移数等优点，对锌负极枝晶生长、析氢、腐蚀等问题均有明显抑制作用。 由于原料羟基磷灰石和明胶都是骨头的组成材料，Zn-HA-Gel具有良好的可回收性和可降解性。使用后的Zn-HA-Gel可通过热水简单水解，一步回收获得Zn-HA膜和明胶溶液，再次制备的rZn-HA-Gel可直接用于组装电池，仍展现出稳定的循环性能。此外，将Zn-HA-Gel可在土壤中被微生物降解。在生物相容性方面，Zn-HA-Gel对人脐静脉内皮细胞几乎无毒，具备良好的生物安全性，适用于可穿戴和植入式电子设备的能量供给。 论文信息 Bone-Inspired Sustainable Hydrogel Electrolytes for Zn Metal Batteries Jiaying Peng, Weihao Song, Wei Zhang, Xinyu Li, Qing Ma, Bing Wu, Masatsugu Fujishige, Kenji Takeuchi, Morinobu Endo, Chendong Ji, Yilin Sun, Jin Niu, Feng Wang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202506449
