《开云EES》北航李彬：羊毛提取超强PVA水凝胶电解质锌金属电池！
柔性锌金属电池因其潜在的高能量存储能力、环境友好性以及锌阳极的高理论容量而成为未来能源存储应用的有力候选。然而，目前水凝胶电解质的低离子导电性和低机械强度限制了它们的表现。为了满足未来能源存储的需求，开发具有高离子导电性和强机械性能的水凝胶电解质至关重要。仅仅通过选择聚合物基质难以同时提高水凝胶电解质的离子导电性和机械性能。
近日，北京航空航天大学李彬副教授团队提出了一种创新的水凝胶电解质策略，通过在聚乙烯醇网络中引入从羊毛中提取的α-螺旋蛋白（α-HP）分子，成功开发了一种超弹性水凝胶电解质（α-HP/PVA）。这种新型电解质不仅展示了高断裂强度和高延伸率的卓越机械性能，而且通过α-螺旋蛋白与Zn2+的特异性配位作用，实现了低传输能垒和短传输距离，从而获得了高达93.8 mS cm-1的超高离子导电性。此外，α-HP/PVA电解质还能有效避免阳极钝化和腐蚀，维持锌阳极的活性，并引导无枝晶沉积，显著提升了锌金属电池的循环稳定性和性能。这些成果为锌金属电池的实际应用和高性能柔性电池的开发提供了新的可能性。
本工作通过在聚乙烯醇网络中引入α-螺旋蛋白（α-HP，从羊毛中提取）分子，开发了一种超弹性水凝胶电解质（α-HP/PVA）。由于其独特的α-螺旋结构和丰富的功能基团，所获得的超弹性水凝胶电解质展现出高断裂强度（4.97 MPa）和高延伸率（约600%）。在α-HP/PVA中，展示了 Zn2+ 与α-螺旋蛋白中的N、O竞争性配位，这提供了低传输能垒和短传输距离，实现了超高的离子导电性93.8 mS cm -1 。此外，α-HP/PVA能够避免阳极钝化和腐蚀，保持锌阳极的活性，并引导无枝晶沉积。因此，Znα-HP/PVAZn对称电池实现了超过5300小时的长循环寿命，而使用α-HP/PVA电解质和NaV 3O8-1.5H2O正极的全电池在1 A g-1 下循环800次后展现出约96%的高容量保持率。这项研究通过独特的螺旋结构促进离子传输，为促进锌金属电池的应用提供了新的方法。
图 1：展示了α-HP/PVA水凝胶电解质的制备和性能表征。(a) 不同放大倍数下羊毛纤维的示意图和α-HP的微观分子结构。(b) 不同电解质的离子导电性比较。(c) α-HP/PVA水凝胶电解质的光学照片。(d) Zn2+在α-HP/PVA中的传导机制。(e) α-HP/PVA和PVA电解质的典型拉伸应力-应变曲线，插入图为α-HP/PVA拉伸的光学照片。(f) α-HP/PVA的动态机械分析。(g) 不同电解质的水保持能力测试。
图 3：α-HP/PVA中锌阳极的腐蚀、HER和沉积行为。(a) 2M Zn(OTf) 2 和α-HP/PVA电解质中锌阳极的Tafel曲线 和α-HP/PVA电解质中锌阳极的LSV曲线 和α-HP/PVA电解质中锌阳极的计时安培曲线+ 在锌阳极表面沉积的示意图。(d) 不同电解质中锌阳极循环50次后的XRD图谱。(e) 不同电解质中循环后的锌阳极的SEM图像。(f) 循环后锌阳极的AFM形态图像。(g) 通过扫描Kelvin探针(SKP)测试不同电解质中浸泡30天的锌阳极的Volta电势图，以及通过高斯拟合得到的Volta电势数据统计。(h) α-HP/PVA电解质中循环的阳极的TEM图像和HRTEM放大图像。(n) α-HP/PVA中循环后锌阳极SEI成分的示意图。
柔性锌金属电池因其固有的高安全性和机械稳定性而被认为是未来能源存储设备的有前景的选择。然而，水凝胶电解质的低离子导电性和低机械强度也严重限制了它们的广泛应用。在这项工作中，通过在聚乙烯醇网络中加入α-螺旋蛋白（α-HP，从羊毛中提取）分子，开发了一种高锌离子导电性和超弹性水凝胶电解质（α-HP/PVA）。结合理论计算和实验表征，α-HP的存在具有α-螺旋结构和丰富的官能团，导致具有高断裂强度（4.97 MPa）和高延伸率（约600%）的超弹性水凝胶电解质。在α-HP/PVA中，研究表明Zn2+与α-螺旋蛋白中的N、O元素竞争性配位，这不仅提供了低的传输能量障碍，还提供了短的传输距离，实现了超高的离子导电性93.8 mS cm-1。此外，α-HP/PVA还避免了阳极钝化和腐蚀，保持了锌阳极的活性，并引导了无枝晶的Zn2+沉积，具有（002）晶面。因此，Znα-HP/PVAZn对称电池在0.1 mA cm-2下实现了超过5300小时的长循环寿命，而以α-HP/PVA为电解质、NaV3O8-1.5H2O为阴极的全电池在1 A g-1下循环800次后显示出约96%的高容量保持率。这项工作为提高水凝胶电解质的离子导电性和机械强度提供了一种新的设计思路，为开发循环稳定的锌金属电池铺平了道路。
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