阿德萊德大學郭再萍、張仕林Nat. Commun：生物相容性電解質使鋅離子電池具有高度可逆的鋅陽極
01、導讀
柔性可穿戴和植入式電子設備在持續準確監測人體健康狀況具有巨大潛力，現已應用于與醫療保健相關的各個領域。然而目前缺乏通用構建電源的方案為柔性傳感器提供能量。可充電水性電池由于其本身安全且廉價的水性電解質引起了科研人員關注。在這些系統中，水鋅金屬電池(AZMBs)尤其具有吸引力，然而，AZMBs中的Zn陽極受到不可逆轉問題的困擾，這導致Zn電極和電解質的持續消耗。
研究人員已經探索了多種策略去改善相關問題，然而，許多解決方案大多依賴有毒化學品，對環境不友好。此外，在柔性AZMBs中，液體電解質在外力下易泄漏，并且造成分離器可能脫落。幸運的是，水凝膠系統具有優越拉伸性與柔韌性，可作為液體電解質的替代品。由生物相容性和生物大分子組件組成的系統在生物界面應用中表現出良好潛力。由于水凝膠中H2O和官能團之間的氫鍵，水凝膠電解質在抑制與水相關的寄生副反應方面具有明顯的優勢。盡管有這些優點，但水凝膠電解質存在與鋅沉積的調節和不理想的離子電導率相關的缺點，這限制了它們同時提供長壽命和高體積容量和深放電的能力。
02、成果掠影
在此，阿德萊德大學科學張仕林研究員、郭再萍教授團隊報道了一種內在生物相容性的水凝膠電解質，它由透明質酸(HA)、水和ZnSO4鹽組成，在AZMBs中使用時表現出優異的性能。使用該電解質組裝的對稱電池在電流密度為1 mA cm-2，容量為1 mA h cm-2的情況下穩定、長期循環超過5500小時，在超過250小時的情況下，鋅的利用率高達80%，平均鍍鋅/剝鋅庫侖效率(CE)為99.71%。研究人員使用WST-1細胞增殖和細胞毒性測定試劑盒確認了這種水凝膠電解質的生物相容性。更令人印象深刻的是，當與各種陰極，如LiMn2O4 (LMO)和碘(I2)配對時，具有這種水凝膠電解質的AZMBs表現出超長壽命，Zn//LMO電池在3℃的電流下超過1000次循環，Zn//I2電池在10℃的電流下超過20000次循環，這突出了這些靈活電池在可穿戴設備中的應用潛力。通過相關材料表征、電化學測試、原位光譜技術和理論計算，研究人員進一步闡明了水凝膠電解質的增強性能源于HA分子減輕水反應性和調節Zn2+/SO42-離子通量的能力。該研究結果對于開發高性能水凝膠基AZMBs用于先進的軟可穿戴和植入式設備具有重要的實際意義。
相關研究成果以“A biocompatible electrolyte enables highly reversible Zn anode for zinc ion battery”為題發表在Nature Communications上。
03、核心創新點
1、研究提出了一種生物相容性的水凝膠電解質，利用透明質酸，其中含有豐富的親水性官能團。凝膠基電解質對鋅陽極具有良好的抗腐蝕能力，并能調節鋅的成核/生長。
2、凝膠電解質提供了高電池性能，包括99.71%的庫侖效率，超過5500小時的長期穩定性，在高達80%的鋅利用率下提高了250小時的循環壽命，以及高生物相容性。重要的是，Zn//LiMn2O4電池在3℃下循環1000次后顯示出82%的容量保留。
04、數據概覽
圖1 透明質酸凝膠電解質的物理性質及電化學穩定窗口表征 ? 2023 The Author(s)
圖2 鋅陽極腐蝕行為的表征 ? 2023 The Author(s)
圖3 鋅陽極的成核和生長行為 ? 2023 The Author(s)
圖4 鋅電沉積調控機理的認識 ? 2023 The Author(s)
圖5 鋅陽極的電化學表征 ? 2023 The Author(s)
圖6 生物相容性和柔性電池的應用 ? 2023 The Author(s)
05、成果啟示
總之，該研究提出了一種生物相容性的透明質酸凝膠電解質作為解決鋅腐蝕問題和調節鋅成核和生長行為的非常有前途的方法。HA糖胺聚糖骨架含有豐富的親水性官能團，通過與水形成強氫鍵，降低了水的反應活性，減輕了析氫副反應以及副產物的生成。帶負電荷的HA分子通過削弱Zn2+與H2O/SO42-之間的靜電力，促進Zn2+的脫溶，從而產生持久的屏蔽作用，使Zn表面電荷分布均勻，從而阻止Zn枝晶的形成。優化的HA凝膠電解質中的Zn沉積行為導致組裝的AZMBs具有優異的性能，這是迄今為止報道的最好的凝膠電解質基AZMBs之一。該研究提供了一種有前途的凝膠化學，為生物相容性能源相關應用及其他領域提供了巨大的潛力。
文獻鏈接：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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