中科院深圳先进院成会明院士&澳门大学李海峰教授&深圳理工大学韩翠平团队AEM:面向气候适应性可充电电池的水凝胶聚合物电解质的分子工程

图1、TZFO水凝胶电解质的设计与机械性能。(a) TZFO水凝胶电解质制备示意图。(b) TZFO水凝胶在粘附、折叠和扭曲变形下的照片，显示其机械弹性。(c) 大面积（27 cm × 27 cm × 0.05 cm）柔性TZFO水凝胶薄膜的照片。(d) TZFO水凝胶的应力-应变曲线，显示其~600%的断裂伸长率。(e) TZFO水凝胶的压缩应力-应变曲线，显示其在80%应变和841.9 kPa应力下无结构失效。(f) TZFO水凝胶与锌负极之间界面剪切粘附力的测量。

图2、TZFO电解质的合成与表征。(a) LZFO和TZFO电解质的傅里叶变换红外光谱。(b) LZFO和TZFO电解质的拉曼光谱。(c) 基于拉曼光谱O-H伸缩区反卷积得到的LZFO和TZFO中水的三种状态（结合水BW、中间水IW、自由水FW）的百分比。(d) 水和TZFO与ZFO（不含T3的水凝胶）之间的接触角。(e) TZFO和LZFO在环境条件下暴露10天期间的重量保持率。(f) LZFO和TZFO的差示扫描量热曲线。(g) LZFO和TZFO的热重分析曲线。(h) TZFO电解质在-20°C至80°C温度范围内的电化学阻抗谱。(i) TZFO电解质的离子电导率与温度的阿伦尼乌斯图。(j) T3分子的表面静电势分布。(k) T3和H₂O分子的最高占据分子轨道和最低未占分子轨道能级。(l) T3分子中-Si(OCH₃)₃与Zn²⁺、-F与H₂O、以及H₂O与H₂O之间的结合能。

图3、TZFO电解质对锌负极电化学行为的影响。(a) 在1 mV s⁻¹扫描速率下，使用LZFO和TZFO电解质的Zn||Cu电池的循环伏安曲线。(b) 在0.5 mA cm⁻²电流密度下，Zn||Cu电池的恒电流放电曲线，用于评估成核过电位。(c) 在-150 mV (vs. Zn/Zn²⁺) 过电位下，记录的使用LZFO和TZFO电解质的Zn||Cu电池的计时电流曲线。(d) 使用LZFO和TZFO电解质的Zn||不锈钢电池的线性扫描伏安曲线。(e) 在1 mA cm⁻²电流密度和1 mAh cm⁻²容量下，使用TZFO电解质的Zn||Zn对称电池的原位电化学阻抗谱（Nyquist图）。(f-h) 在 (f) 25°C, (g) 80°C, 和 (h) 80°C（长时间）条件下，在5 mA cm⁻²电流密度下，Zn在LZFO和TZFO电解质中沉积的原位光学显微图像。比例尺：200 µm。

图4、TZFO电解质对锌沉积行为和界面化学的影响。(a) 用于监测锌沉积/剥离过程中H₂生成的Zn||Zn对称电池原位差分电化学质谱实验装置示意图。(b) 在3 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下，使用LZFO和TZFO电解质的Zn||Zn对称电池循环过程中记录的质荷比（m/z）为2（H₂）的DEMS信号。(c) 在TZFO电解质中循环50次后的锌负极，经不同时间Ar⁺溅射后的C 1s、O 1s和F 1s X射线光电子能谱。(d) 在LZFO和TZFO电解质中循环后的锌负极的X射线衍射图谱。(e, f) 在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下循环100小时后，从 (e) LZFO 和 (f) TZFO 电解质中取出的锌负极的顶视图和横截面扫描电子显微镜图像。(g) T3分子结构及其功能基团示意图。(h) TZFO电解质在锌负极表面作用的示意图，展示了抑制枝晶、析氢和腐蚀的机制。

图5、基于TZFO和LZFO电解质的锌金属电池的电化学性能。(a) 在5 mA cm⁻²和5 mAh cm⁻²条件下，Zn||Zn对称电池在室温下的循环性能。(b) 在3 mA cm⁻²和3 mAh cm⁻²条件下，Zn||Zn对称电池在室温下的循环性能。(c) 在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下，Zn||Zn对称电池在40°C下的循环性能。(d) 在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下，Zn||Zn对称电池在-20°C下的循环性能。(e) 在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下，使用LZFO和TZFO电解质的Zn||Cu电池的库伦效率。(f, g) 在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下，使用 (f) TZFO 和 (g) LZFO 电解质的Zn||Cu电池的相应电压分布图。(h) 电流密度从1逐步增加到50 mA cm⁻²再返回1 mA cm⁻²（固定容量1 mAh cm⁻²）条件下，Zn||Zn对称电池的循环性能。(i) 本工作与近期报道的基于水凝胶电解质的锌金属电池在-20°C和40°C下的循环性能对比。

图6、基于TZFO和LZFO电解质的全电池性能。(a) Zn||TZFO||NVO全电池在不同扫描速率下的循环伏安曲线。(b) Zn||TZFO||NVO和Zn||LZFO||NVO全电池在25°C下的电化学阻抗谱（Nyquist图）。(c) Zn||TZFO||NVO和Zn||LZFO||NVO全电池在不同电流密度下的倍率性能。(d) Zn||TZFO||NVO和Zn||LZFO||NVO全电池在25°C和3.0 A g⁻¹下的长循环性能。(e) Zn||TZFO||NVO和Zn||LZFO||NVO全电池在-20°C和1.0 A g⁻¹下的长循环性能。(f) Zn||TZFO||NVO和Zn||LZFO||NVO全电池在80°C和1.0 A g⁻¹下的长循环性能。(g) Zn||TZFO||I₂和Zn||LZFO||I₂全电池在1.0 A g⁻¹下的长循环性能。