成会明院士/周光敏副教授/刘碧录教授《Angew》：-40℃下循环700次！极化凝胶电解质助力宽温柔性锌-空气电池！

柔性锌-空气电池（FZABs）的发展在便携式和可穿戴电子设备领域引起了广泛关注。凝胶电解质是FZABs中最重要的成分之一，迫切需要进行优化以与锌负极匹配，并适应高温和超低温的恶劣气候。

近日，中科院深圳先进技术研究院成会明院士、清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授、刘碧录教授为FZABs设计了一种聚丙烯酰胺-柠檬酸钠（PAM-SC）的极化凝胶电解质，其中SC分子中含有大量的极化-COO-功能团。研究显示，极化的-COO-基团在凝胶电解质和锌负极的界面上形成了一个电场，使Zn2+的传输均匀，并抑制了Zn枝晶的形成。此外，PAM-SC中的极化-COO-末端基团可以在凝胶电解质中固定许多水分子，从而防止水在超低温下冻结和在高温下蒸发。因此，极化的PAM-SC水凝胶在暴露于空气中96小时后，提供了324.68 mS cm-1的高离子电导率和96.85%的保水率。采用PAM-SC凝胶电解质的FZABs在-40℃的低温下表现出700次的长循环寿命，显示了FZABs在极端条件下的应用前景。

文章要点：

1. 这项工作开发了一种用于FZABs的聚丙烯酰胺-柠檬酸钠（PAMSC）极化凝胶电解质，其中SC含有丰富的-COO-功能团。

2. PAM-SC凝胶电解质中的极化-COO-基团在锌负极上表现出亲锌效应，因此它们可以均匀化Zn2+传输通量并抑制Zn枝晶的形成。

3. 极化的-COO-基团和水分子之间的强氢键阻止了PAM-SC凝胶电解质在低温下冻结和高温下蒸发。因此，PAM-SC凝胶电解质在暴露在空气中96小时后表现出324.8 mS cm-1的高离子电导率和96.85%的优良保水性。

4. 在组装到FZABs后，PAM-SC凝胶电解质提供了746.1 mAh g-1的高放电容量，107.7 mW cm-2的高功率密度，以及420次循环的长稳定性。即使在极端条件下，使用PAM-SC凝胶电解质的FZAB在-40℃的超低温度下也显示出700次的长循环寿命。

5. 此外，采用PAM-SC凝胶电解质的FZAB可以为风扇供电，为智能手机充电，并在液氮环境下点亮灯泡，为FZAB在恶劣条件下的应用提供了前景。

图1 PAM-SC水凝胶的MD模拟结果

图2 水凝胶的结构和性能

图3 抑制Zn负极/电解质界面的Zn枝晶

图4 FZABs中的凝胶电解质的电化学性能

图5 FZABs中的凝胶电解质在宽温度范围内的电化学性能