阿德莱德大学郭再萍、张仕林Nat. Commun：生物相容性电解质使锌离子电池具有高度可逆的锌阳极
01、导读
柔性可穿戴和植入式电子设备在持续准确监测人体健康状况具有巨大潜力，现已应用于与医疗保健相关的各个领域。然而目前缺乏通用构建电源的方案为柔性传感器提供能量。可充电水性电池由于其本身安全且廉价的水性电解质引起了科研人员关注。在这些系统中，水锌金属电池(AZMBs)尤其具有吸引力，然而，AZMBs中的Zn阳极受到不可逆转问题的困扰，这导致Zn电极和电解质的持续消耗。
研究人员已经探索了多种策略去改善相关问题，然而，许多解决方案大多依赖有毒化学品，对环境不友好。此外，在柔性AZMBs中，液体电解质在外力下易泄漏，并且造成分离器可能脱落。幸运的是，水凝胶系统具有优越拉伸性与柔韧性，可作为液体电解质的替代品。由生物相容性和生物大分子组件组成的系统在生物界面应用中表现出良好潜力。由于水凝胶中H2O和官能团之间的氢键，水凝胶电解质在抑制与水相关的寄生副反应方面具有明显的优势。尽管有这些优点，但水凝胶电解质存在与锌沉积的调节和不理想的离子电导率相关的缺点，这限制了它们同时提供长寿命和高体积容量和深放电的能力。
02、成果掠影
在此，阿德莱德大学科学张仕林研究员、郭再萍教授团队报道了一种内在生物相容性的水凝胶电解质，它由透明质酸(HA)、水和ZnSO4盐组成，在AZMBs中使用时表现出优异的性能。使用该电解质组装的对称电池在电流密度为1 mA cm-2，容量为1 mA h cm-2的情况下稳定、长期循环超过5500小时，在超过250小时的情况下，锌的利用率高达80%，平均镀锌/剥锌库仑效率(CE)为99.71%。研究人员使用WST-1细胞增殖和细胞毒性测定试剂盒确认了这种水凝胶电解质的生物相容性。更令人印象深刻的是，当与各种阴极，如LiMn2O4 (LMO)和碘(I2)配对时，具有这种水凝胶电解质的AZMBs表现出超长寿命，Zn//LMO电池在3℃的电流下超过1000次循环，Zn//I2电池在10℃的电流下超过20000次循环，这突出了这些灵活电池在可穿戴设备中的应用潜力。通过相关材料表征、电化学测试、原位光谱技术和理论计算，研究人员进一步阐明了水凝胶电解质的增强性能源于HA分子减轻水反应性和调节Zn2+/SO42-离子通量的能力。该研究结果对于开发高性能水凝胶基AZMBs用于先进的软可穿戴和植入式设备具有重要的实际意义。
相关研究成果以“A biocompatible electrolyte enables highly reversible Zn anode for zinc ion battery”为题发表在Nature Communications上。
03、核心创新点
1、研究提出了一种生物相容性的水凝胶电解质，利用透明质酸，其中含有丰富的亲水性官能团。凝胶基电解质对锌阳极具有良好的抗腐蚀能力，并能调节锌的成核/生长。
2、凝胶电解质提供了高电池性能，包括99.71%的库仑效率，超过5500小时的长期稳定性，在高达80%的锌利用率下提高了250小时的循环寿命，以及高生物相容性。重要的是，Zn//LiMn2O4电池在3℃下循环1000次后显示出82%的容量保留。
04、数据概览
图1 透明质酸凝胶电解质的物理性质及电化学稳定窗口表征 © 2023 The Author(s)
图2 锌阳极腐蚀行为的表征 © 2023 The Author(s)
图3 锌阳极的成核和生长行为 © 2023 The Author(s)
图4 锌电沉积调控机理的认识 © 2023 The Author(s)
图5 锌阳极的电化学表征 © 2023 The Author(s)
图6 生物相容性和柔性电池的应用 © 2023 The Author(s)
05、成果启示
总之，该研究提出了一种生物相容性的透明质酸凝胶电解质作为解决锌腐蚀问题和调节锌成核和生长行为的非常有前途的方法。HA糖胺聚糖骨架含有丰富的亲水性官能团，通过与水形成强氢键，降低了水的反应活性，减轻了析氢副反应以及副产物的生成。带负电荷的HA分子通过削弱Zn2+与H2O/SO42-之间的静电力，促进Zn2+的脱溶，从而产生持久的屏蔽作用，使Zn表面电荷分布均匀，从而阻止Zn枝晶的形成。优化的HA凝胶电解质中的Zn沉积行为导致组装的AZMBs具有优异的性能，这是迄今为止报道的最好的凝胶电解质基AZMBs之一。该研究提供了一种有前途的凝胶化学，为生物相容性能源相关应用及其他领域提供了巨大的潜力。
文献链接：A biocompatible electrolyte enables highly reversible Zn anode for zinc ion battery，2023，https://doi.org/10.1038/s41467-023-42333-z）
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