南科大曾林/韩美胜等综述：水凝胶电解质赋能锌离子电池的新进展

研究背景

随着安全、环境友好型能源存储需求的不断增长，水系锌离子电池因其安全性高、成本低、资源丰富而受到广泛关注。然而，传统液态电解液体系仍面临一系列瓶颈，如锌负极枝晶生长导致的短路风险、副反应引起的库仑效率下降、电解液泄漏带来的安全隐患，以及在低温或干燥环境下性能迅速衰减等问题。因此，开发兼具高安全性、良好界面稳定性和环境适应性的电解质体系成为当前研究热点。水凝胶电解质既能够提供与液态电解液相当的离子传导能力，又具备优良的机械柔韧性和成型性，在抑制枝晶、缓解副反应、提升柔性器件适配性等方面展现出独特优势，被认为是解决上述问题的有力候选。基于此，本文围绕水凝胶电解质的材料设计原则、性能调控策略及其功能化应用展开系统综述，并对未来发展趋势进行了深入展望

Hydrogel Electrolytes for Zinc-Ion Batteries: Materials Design, Functional Strategies, and Future Perspectives

Zhengchu Zhang, Yongbiao Mu, Lijuan Xiao, Hengyuan Hu, Tao Xue, Limin Zang, Eiichi Sakai, Meisheng Han*, Chao Yang*, Lin Zeng*, Jianhui Qiu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 139

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01993-w

本文亮点

1. 全面概述了水凝胶电解质的基本性质与结构组成，系统性总结了关键材料要素及性能调控策略。

2. 聚焦于水凝胶电解质的功能特性，阐述了其在多种应用场景下提升性能与适应性的作用机制。

3. 分析了当前水凝胶电解质所面临的核心挑战，并提出了以绿色、安全与多功能一体化优化为导向的未来发展路径。

内容简介

水凝胶电解质结合了液态电解液的高离子传导能力与聚合物材料的结构稳定性，已成为水系锌离子电池研究中的重要电解质体系。近年来，围绕水凝胶电解质的材料构筑与性能优化，相关研究不断涌现，推动了其在安全储能与柔性器件领域的发展。在此基础上，日本秋田县立大学邱建辉&南科大曾林/韩美胜&桂林理工杨超等人对水凝胶电解质在锌离子电池中的研究进展进行了系统综述。文章首先从水凝胶电解质的基本组成与结构特征出发，概述了聚合物网络、溶剂水分子与锌盐离子之间的协同作用关系，并总结了天然高分子、合成高分子及复合水凝胶等主要材料体系。随后，根据不同的性能调控目标，系统梳理了通过网络结构设计、电解质组分优化和界面调控等策略实现离子传输增强与界面稳定性的研究进展。此外，本文还重点介绍了水凝胶电解质在功能化方向上的发展，包括抗冻、自愈合、耐高温以及热响应等特性。最后，文章从材料设计与应用需求出发，对水凝胶电解质未来的发展方向进行了总结与展望。

图文导读

I 水凝胶电解质的基本特性及设计需求

水凝胶电解质在水系锌离子电池中的应用，需要在多种性能之间实现协同平衡。如图1所示，其设计需求主要体现在电化学性能、力学稳定性、安全性和环境适应性等方面。在电化学层面，水凝胶电解质应具备较高的离子电导率、合适的Zn2⁺迁移数以及稳定的电化学窗口，以保障高效、可逆的锌沉积/剥离行为。同时，通过调控界面，抑制锌枝晶生长并减少副反应发生，提升循环稳定性。在力学性能方面，水凝胶电解质需要兼顾足够的强度、抗疲劳能力及自愈特性，以适应长期循环和柔性器件应用需求。此外，良好的环境适应性同样至关重要，包括保水能力、宽温域工作性能以及对外界刺激的响应特性。总体而言，水凝胶电解质的设计需要在多重功能需求之间实现综合优化，以满足水系锌离子电池对安全性、稳定性和可靠性的要求。

图1. 水凝胶电解质在锌离子电池中的设计需求示意图。

II 水凝胶电解质的材料组成与设计策略

水凝胶电解质通常由聚合物网络、电解质盐以及水分子共同构成，其电化学性能和结构稳定性在很大程度上取决于材料组成与设计策略。通过合理选择聚合物基体并调控电解质组分，可以有效调节水凝胶电解质的力学性能、离子传输行为及界面稳定性。天然高分子水凝胶通常具有良好的生物相容性和柔韧性，而合成高分子体系在结构可设计性和性能稳定性方面更具优势；将不同材料进行复合，则有助于兼顾多种性能需求。同时，锌盐种类与浓度、电解质添加剂以及结构构筑方式等因素，对Zn2⁺溶剂化结构、离子迁移效率及锌沉积行为具有重要影响。通过材料基体设计与电解质组分的协同调控，为构建性能可调、结构稳定的水凝胶电解质提供了多样化设计思路。如图2所示，通过材料组成与结构设计，水凝胶电解质在锌离子电池中展现出区别于传统液态电解液的电化学行为与结构优势。水凝胶电解质能够调控锌负极表面的沉积/剥离过程，从而改善界面稳定性(图2a、d)。同时，不同聚合物基体的引入，例如天然高分子壳聚糖，为构建环境友好型锌离子电池提供了新的材料选择(图2b)。此外，通过合理的结构构筑方式，可实现多种形态的水凝胶电池体系(图2c)。材料组成的变化还会直接影响水凝胶电解质的离子电导率和力学性能，体现出材料设计对综合性能调控的重要作用(图2e)。

图2. 水凝胶电解质在锌离子电池中的材料组成与结构设计示意图。(a)水凝胶电解质与传统液态电解液中锌负极沉积/剥离行为的对比示意图。(b)壳聚糖等天然高分子材料在构建环境友好型锌离子电池中的作用示意图。(c)水凝胶锌离子电池及纸基锌离子电池的制备过程与结构示意图。(d)水凝胶电解质提升电化学性能的内在作用机制示意图。(e)不同水凝胶电解质体系的离子电导率及其对应的力学性能对比示意图。

III 水凝胶电解质的功能优化策略

水凝胶电解质中的水分子可分为自由水、弱结合水和非冻结水，在低温条件下，自由水的结冰会导致离子传输受阻、机械性能下降，甚至引发器件失效。为提升水凝胶电解质在低温环境下的适应性，研究者提出了多种抗冻设计策略，核心在于调控水分子的氢键网络及Zn2⁺的溶剂化结构。通过引入有机溶剂或高浓度盐体系，可以有效抑制冰晶形成，同时保持水凝胶的柔性与离子导电性。一方面，有机溶剂(如甘油、乙二醇和DMSO)能够与水分子形成稳定的氢键相互作用，破坏原有水-水氢键网络，从而降低冻结点并延缓结晶过程；同时，这些溶剂还可参与Zn2⁺配位，调控其溶剂化结构，减少副反应并抑制枝晶生长(图3a-c)。另一方面，高浓度盐体系通过强化离子-水相互作用，显著削弱水分子间的氢键网络，实现低温下的离子传输维持。合理选择高溶解度锌盐或引入具有霍夫迈斯特效应的阳离子与阴离子，可在降低冻结点的同时避免电解质黏度过高或盐析问题(图3d-f)。这些抗冻策略共同展示了通过分子尺度调控水和离子行为，实现水凝胶电解质宽温域工作的有效路径。

图3. 水凝胶电解质的抗冻设计策略及其在低温锌离子电池中的应用示意图。(a)-40℃条件下，锌离子电池在循环前、后的阻抗变化示意图。(b)-40℃条件下，锌离子电池的容量变化示意图。(c)PAM-T-S抗冻水凝胶电解质的制备过程示意图。(d)水分子与电解质结构在低温环境下的演变示意图。(e)阳离子诱导纤维素链及水分子之间氢键结构破坏的示意图。(f)羧甲基壳聚糖、PAM与ClO₄⁻之间相互作用构建抗冻水凝胶电解质的示意图。

在高温条件下，水系锌离子电池中水分蒸发加快，析氢反应增强，电解质结构稳定性和电化学性能均受到影响。如图4所示，通过调控水分子的存在状态以及Zn2⁺的溶剂化结构，可以有效提升水凝胶电解质在高温环境下的稳定性。高浓度锌盐体系通过增强离子与水分子之间的相互作用，降低自由水含量，从而抑制水分蒸发并维持凝胶结构完整性。同时，引入高沸点有机溶剂可与水分子形成稳定的氢键相互作用，进一步调节水的氢键网络，并影响Zn2⁺的溶剂化结构，有助于缓解高温条件下的副反应发生。通过对电解质组成的合理调控，水凝胶电解质能够在高温条件下保持稳定的离子传输行为和电化学性能。

图4. (a)OSGE水凝胶电解质在室温至600℃范围内的同步热分析表征结果。(b)采用HE与OHE电解质时锌沉积过程及其沉积机制的对比示意图。(c)GL/AN水凝胶电解质与传统电解质中锌沉积行为的对比示意图。(d)PAM/PAMPS-10PD水凝胶电解质的结构设计示意图。

在高温环境下，水系锌离子电池的稳定性和安全性面临严峻挑战。为此，近年来发展出一类具有内在温度响应特性的水凝胶电解质，其核心特征是在温度超过设定阈值时，通过结构重构或相变行为主动中断离子传输，从而实现自保护功能；当温度恢复至安全范围后，部分体系能够重新建立离子传导网络，恢复正常电池运行。如图5所示，目前实现温度响应行为的水凝胶电解质主要包括两种设计思路。一类是基于热敏聚合物的可逆溶胶-凝胶体系。以PNIPAM及其共聚物为代表，这类水凝胶在超过其相变温度后发生链构象转变和网络收缩，导致离子传输通道关闭、电阻显著上升，从而实现温度触发的自动关断。另一类是基于吸湿性盐构建的双响应水凝胶体系。这类体系利用ZnCl₂等吸湿性电解质在升温过程中引发水分蒸发，显著降低水含量和Zn2⁺扩散能力，从而抑制电化学反应；在温度降低后，水凝胶可重新吸收环境水分并恢复离子导电性，实现温度与湿度共同调控的可逆保护机制。总体而言，温度响应型水凝胶电解质通过主动调节离子传输行为，为锌离子电池在高温条件下的安全运行提供了重要保障。

图5. 温度响应型水凝胶电解质及其在锌离子电池中的自保护行为示意图。(a)PNIPAM/AM-5@GF隔膜在不同温度状态下的SEM图像。(d)采用温度响应型凝胶的水系锌离子电池在不同条件下的电化学性能。(e)具有按需相变能力的温度响应型溶胶-凝胶体系在锌离子电池中的结构示意图。(f)PNA体系在溶胶态与凝胶态下电导率的对比结果。(g)温度诱导相变过程的示意图。(h)吸湿性水凝胶电解质的自保护型锌离子电池工作机理示意图。

在柔性与可穿戴锌离子电池中，电解质在反复形变或长期循环过程中容易发生结构损伤，进而影响离子传输和电化学稳定性。自愈合水凝胶电解质通过在受损区域重新建立可逆相互作用，实现结构修复和功能恢复，为提升器件可靠性提供了有效途径。基于物理交联机制的自愈合水凝胶通常通过氢键、金属配位或π-π相互作用等非共价相互作用构建动态网络。当水凝胶受到切割或拉伸破坏后，这些可逆相互作用能够在外力解除后重新形成，使聚合物网络恢复连续性，从而实现快速自愈并保持稳定的离子传输能力(图6a-d)。基于化学交联机制的自愈合水凝胶则依赖动态共价键(如亚胺键或硼酸酯键)在断裂与重构过程中的可逆反应，实现结构修复。这类体系通常表现出较高的结构稳定性和力学强度，但其自愈过程往往对外界条件更加敏感(图6e-g)。为兼顾自愈效率与力学性能，部分研究进一步将物理交联与化学交联相结合，通过多种动态相互作用协同构建自愈网络，使水凝胶在多次损伤-修复循环中仍能保持稳定的电化学性能。总体而言，自愈合水凝胶电解质通过动态交联网络实现结构恢复与离子通道重建，在提升柔性锌离子电池耐形变能力和长期稳定性方面展现出重要价值。

图6. (a)自愈合水凝胶电解质的制备过程及其自愈行为示意图。(b)基于氢键相互作用实现自愈合能力的结构示意图。(c)自愈合PVA-COOH/Zn(NO3)2/MnSO₄水凝胶电解质的制备过程示意图。(d)水凝胶电解质中自愈合行为来源的结构示意图。(e)甘油拉伸瓜尔胶分子过程中产生的空间位阻分子梳理效应示意图。(f)甘油-硼酸盐水凝胶电解质快速自愈行为的光学图像。(g)PAM-PAAS-QCS水凝胶体系自愈能力的示意图。

IV 水凝胶电解质在柔性与可穿戴锌离子电池中的应用

随着柔性电子和可穿戴设备的发展，储能系统需要在有限空间内承受复杂结构和频繁机械形变，对电解质的柔韧性和运行稳定性提出了更高要求。水凝胶电解质凭借良好的柔性、可压缩性和应力缓冲能力，成为柔性锌离子电池的重要候选材料。基于超分子两性离子水凝胶电解质构建的柔性锌离子电池能够在宽温区间内稳定运行，并成功驱动可穿戴设备，在极端环境下展现出良好的实际应用能力(图7a)。通过结构设计，柔性锌离子电池可进一步与纺织平台融合，将水凝胶基纤维电池直接编织进织物中，在保持稳定电化学性能的同时兼顾机械适应性(图7b, c)。在此基础上，水凝胶电解质还可与传感功能集成，实现对人体运动等应变信号的实时监测，提升可穿戴系统的集成度和智能化水平(图7d, e)。此外，通过引入温致变色或荧光功能组分，水凝胶电解质可赋予柔性锌离子电池可视化反馈能力，实现温度感知、状态指示或发光显示等功能，进一步拓展其在智能穿戴和交互式电子器件中的应用形式(图7f, g)。

图7. (a)串联柔性锌离子电池在实际佩戴条件下为腕表供电的照片。(b)可拉伸锌离子电池的结构示意图。(c)纱线状锌离子电池编织进织物中的实物照片。(d)纤维状自供能传感系统的结构集成与功能设计示意图。(e)自供能应变传感器的工作原理示意图。(f)水凝胶电解质温致变色行为的示意图。(g)由锌离子电池构成的织物结构示意图。

在生物相关储能器件中，材料的生物安全性和可降解性已成为评估其应用潜力的关键指标。由于具有良好的柔性、亲水性以及类组织结构特征，水凝胶电解质在与生物组织接触时表现出优异的生物相容性，能够有效降低炎症反应并避免刚性器件引发的组织损伤。因此，水凝胶电解质为锌离子电池在生物医学领域中的应用提供了重要材料基础。从基础生物安全性角度出发，基于水凝胶电解质构建的锌离子电池在体内和体外测试中展现出良好的生物相容性和稳定的电化学性能。例如，采用含两性离子结构的水凝胶电解质可在保持较高离子电导率的同时，避免明显的毒性和炎症反应，验证了其作为植入式能源器件的可行性(图8a)。针对植入式医疗器件长期供能需求，引入可降解水凝胶电解质并结合无线充电策略，可实现体内能量补充并在完成使命后逐步降解，为减少二次手术风险提供了新思路(图8b)。此外，水凝胶电解质还可通过调控电化学过程直接参与生物微环境调节，用于抗菌和炎症干预。例如，基于双导电水凝胶构建的可穿戴锌离子电池能够在放电过程中调节活性氧和谷胱甘肽水平，从而实现抗菌和抑制炎症的综合效果(图8c)。在神经组织工程领域，利用锌离子电池产生的稳定电场可促进施旺细胞增殖和神经轴突生长，从而加速周围神经再生，且器件在体内可实现逐步降解而不引发明显免疫反应(图8d-f)。在进一步拓展应用方面，可食用锌离子微型储能器件为短期体内诊断和胃肠道电子系统提供了新的可能。基于明胶水凝胶电解质构建的可吞服锌离子微超级电容器不仅具备良好的柔性和能量输出能力，还可在体内逐步降解并释放微量营养锌元素，验证了其在复杂生理环境中的安全性与可行性(图8g)。

图8. (a)植入式锌离子电池植入14天后实验组与对照组主要器官的实物照片。(b)可无线充电植入式锌离子电池系统的结构设计示意图。(c)通过调控电化学过程实现抗菌和促进慢性伤口愈合的治疗型锌电池示意图。(d)对照组与Zn-Mo组培养3天后施旺细胞生长行为的光学显微图像。(e)培养7天后背根神经节的共聚焦荧光图像。(f)植入Zn-Mo锌离子电池后12周内大鼠的CT成像结果。(g)可食用锌离子电池的制备过程示意图。

V 总结与展望

本文系统总结了水凝胶电解质在柔性储能器件中的基本特性与关键设计要求，明确了其在电化学性能、力学柔性、安全性和环境适应性等方面需要满足的综合指标。在此基础上，综述了围绕聚合物骨架、锌盐体系及功能添加剂的多样化材料设计策略，并重点归纳了抗冻、耐热、温度响应、自愈合、生物相容性和可持续性等功能化方向，展示了水凝胶电解质在可穿戴、植入式及绿色储能系统中的应用潜力。凭借结构可调性和多功能集成优势，水凝胶电解质正逐步成为替代传统液态电解液的重要候选。

然而，其规模化应用仍面临若干关键挑战，包括器件层面能量密度受限、力学性能与柔性之间的权衡、电极/电解质界面稳定性不足、多功能协同集成难度较高，以及在生物相容性与环境可持续性方面仍需进一步优化。此外，聚合物-电解质相互作用及其对界面电化学行为和离子传输机制的影响仍缺乏系统认识，有待深入研究。如图9所示，水凝胶电解质的未来发展可概括为三个递进阶段：第一阶段聚焦于提升材料的本征性能，包括能量密度、机械强度和界面稳定性，以满足下一代储能系统的基础需求；第二阶段强调多功能一体化设计，通过引入自愈合、温度响应和环境适应等特性，拓展其在柔性电子和极端环境下的应用场景；第三阶段则以生物相容性和环境可持续性为核心，推动天然高分子、绿色合成和可降解体系的应用，实现高性能与生态友好并重的发展目标

图9. 水凝胶电解质的发展示意图。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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