水凝胶在宽温域锌基储能器件中的应用

余启家; 林慧; 张景然; 林楚园; 黄臻扬; 肖富玉; 刘任嫔; 钱庆荣; 曾令兴; 陈庆华

doi:10.16056/j.2096-7705.2026.01.005

能源研究与管理 ›› 2026, Vol. 18 ›› Issue (1) : 34 -47+71. DOI: 10.16056/j.2096-7705.2026.01.005

水凝胶在宽温域锌基储能器件中的应用

余启家, 林慧, 张景然, 林楚园, 黄臻扬, 肖富玉, 刘任嫔, 钱庆荣, 曾令兴, 陈庆华

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摘要

水凝胶电解质因其高安全性和优异的柔性，已成为柔性锌离子电池的理想组成部分，但其在低温下易冻结导致电导率下降、高温下易失水引发结构失效，限制了实际应用与环境适应性。为提升水系锌离子电池在宽温域内的性能，本文系统分析了水凝胶所面临的“冰-水-汽”矛盾及失效机制，并综述了以构建宽温域下的高性能水凝胶电解质为核心的改性策略。结果表明，在有机溶剂添加策略中，DMSO基水凝胶电池在低温-40°C下可稳定循环75 000圈，而乙二醇基水凝胶在高温80°C下可稳定循环1 000圈。离子调控策略方面，ClO₄^-阴离子优化的凝胶在-30°C下保持优异的可逆性，同时高温稳定主要通过引入高沸点添加剂（如1, 5-二羟基戊烷）重构氢键网络来抑制水分蒸发与副反应，构建双网络来强化聚合物结构以维持机械完整性，以及发展基于温敏相变或溶剂蒸发的智能热自保护机制来实现可逆的热关断。研究结果表明，经优化后的水凝胶电解质在100°C下循环500 h仍保持稳定，组装的Zn-MnO₂软包电池在高温下保持高比容量，且力学性能（如断裂伸长率约390%），离子电导率在高温区间内得到有效维持。经改性的水凝胶电解质在-40～100°C内保持稳定的离子电导率与机械性能，所组装器件在宽温域环境下具有高循环稳定性和能量密度。解决其宽温适应性难题，有助于拓展锌离子电池在宽温域应用场景（如可穿戴电子、户外设备等）中的实际应用，为发展高安全、低成本的新一代储能技术提供关键材料支持与设计思路。