中国海洋大学孟凡陆等：双网络水凝胶电解质实现锌碘电池中离子传输加速并抑制碘穿梭

Ion-Sieving Dual-Network Hydrogel Electrolytes Couple Accelerated Ion Transport with Iodide Shuttle Suppression in Aqueous Zn-I₂ Batteries

Ming Chen, Jia Cheng, Yixin Zhao, Wei Fu, Wen Li*, Yunhai Zhu*, Fanlu Meng*

Nano-Micro Letters (2026)18: 366

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02216-6

本文亮点

1. 双网络协同，功能分区：将机械支撑网络(聚丙烯酰胺)与离子功能网络(羧甲基壳聚糖)整合，力求解决单一水凝胶在“离子电导率”与“机械强度”之间的长期矛盾。

2. 电荷微环境定向调控：引入叔丁胺抑制氨基质子化、增强羧基电负性，构建局部高负电区域，既可静电排斥多碘阴离子(I₃⁻、I₅⁻)，又能为Zn²⁺提供低能迁移通道。

研究背景

水系锌碘电池因其本征安全、低成本及高放电平台，被视为大规模储能的理想候选体系，但其商业化进程长期受制于正负极界面问题的“耦合失效”。在锌负极侧，不均匀的Zn²⁺通量易引发枝晶生长、析氢及腐蚀；在碘正极侧，可溶性多碘离子(I₃⁻、I₅⁻)的穿梭效应导致严重的自放电与活性物质流失。传统电解液或单网络水凝胶往往难以兼顾“快速导锌”与“阻隔多碘”的双重要求，更无法同时稳定锌负极和碘正极。因此，如何从分子到介观尺度协同调控“快速Zn²⁺传输”与“多碘离子抑制”，成为水系Zn-I₂电池领域的重要挑战。

内容简介

针对水系Zn-I₂电池中锌负极不稳定与多碘阴离子穿梭相互耦合的问题，中国海洋大学孟凡陆团队提出了一种具有“离子筛分”功能的双网络水凝胶电解质(PAM-CMCS-tB)。该体系以聚丙烯酰胺(PAM)构筑机械骨架，以羧甲基壳聚糖(CMCS)提供富含羧基的功能网络，并引入叔丁胺(tB)调控局部电荷微环境。通过调节CMCS链段的去质子化程度，显著提高了-COO⁻基团暴露与负电荷密度，从而一方面构建低能垒Zn²⁺迁移通道，另一方面利用静电排斥抑制I₃⁻、I₅⁻等多碘离子的扩散与穿梭。与此同时，均匀互连的双网络结构还能够有效调控三维Zn²⁺通量，实现均匀致密的锌沉积，抑制枝晶与副反应。该工作通过“分子构象调控-电荷微环境工程-网络拓扑设计”的跨尺度协同策略，为高稳定性水系Zn–I₂电池提供了新的电解质设计思路。

图文导读

I 双网络结构设计：力学支撑与离子传导的协同

如图1所示，研究团队构建了一种具有离子筛分功能的双网络水凝胶体系。PAM提供稳定的机械支撑骨架，而CMCS则引入大量可与Zn²⁺配位的-COO⁻功能位点。通过叔丁胺(tB)诱导CMCS链段去质子化，体系中暴露出更多负电荷位点，不仅增强了Zn²⁺迁移驱动力，还能够通过静电排斥作用阻碍I₃⁻、I₅⁻等多碘离子的扩散。同时，tB调控后的CMCS链段更加舒展，促进形成更加均匀的网络孔道结构，从而构建连续稳定的离子传输通道，实现Zn²⁺快速均匀迁移。

图1. PAM-CMCS-tB双网络水凝胶的合成策略。

如图2所示，FTIR与XPS证实了PAM与CMCS间氢键的形成及叔丁胺诱导的羧基去质子化。拉伸测试表明，双网络结构显著提升了断裂韧性；SEM与SAXS显示其具有均匀的介观孔结构及更紧凑的聚合物网络。MD模拟进一步揭示，tB去质子化处理使CMCS链段保持伸展构象，避免因-NH₃⁺与-COO⁻静电吸引而造成的网络塌缩。

图2. 双网络水凝胶电解质的结构表征。

II 抑制副反应与引导均匀锌沉积

图3. 锌金属负极稳定性。

静电势分布及Zeta电位表明，-COO⁻富集区构成负电性传输微环境。对称电池测试显示，在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下，PAM-CMCS-tB可实现超过3500小时的稳定循环，而PAM基电池仅970小时即失效。即使在10 mA cm⁻²/10 mAh cm⁻²高面容量下，仍可稳定运行约800小时。CA曲线、XRD及CLSM测试结果表明，该水凝胶诱导了均匀的3D扩散与(002)织构优先生长，锌表面平整无枝晶。

图4. 双网络水凝胶对Zn²⁺迁移与锌沉积行为的调控。

III 多碘离子穿梭的静电排斥与物理阻隔

H型电解池测试显示，PAM-CMCS-tB水凝胶在24小时内完全阻止多碘离子(I₃⁻/I₅⁻)扩散至另一侧，而玻璃纤维隔膜在1小时内即发生明显渗透。原位拉曼光谱证实，在充放电过程中，锌负极表面未检测到明显多碘信号。DFT计算表明，I₃⁻/I₅⁻与-COO⁻之间存在显著能垒，多碘离子靠近聚合物网络在热力学上不利。这一静电排斥加物理限域机制显著抑制了穿梭效应及由此引发的锌腐蚀。

图5. PAM-CMCS-tB水凝胶对多碘阴离子穿梭的抑制作用。

IV 实现高载量条件下Zn-I₂全电池的长效稳定

Zn-I₂全电池在0.5 C下比容量为234 mAh g⁻¹，能量密度达292.5 Wh kg⁻¹(基于碘质量)。在1 C下循环2000次后容量保持87.2%；在10 C高倍率下，可稳定循环20000次，容量保持率89.1%。自放电测试中，静置后容量保持率91.5%，远高于液态电解液(85.2%)。组装的软包电池(碘载量~9.2 mg cm⁻²)在1 C下循环80次后仍保持152.5 mAh g⁻¹，并在180°弯折状态下成功点亮LED器件，展示了其在柔性电子中的实用潜力。

图6. Zn-I₂全电池的电化学性能。

V 总结

本研究提出并实现了一种“离子筛分型”双网络水凝胶电解质，通过分子构象控制、电荷微环境工程与网络拓扑优化的跨尺度策略，同步解决了锌碘电池中锌负极枝晶/副反应与碘正极穿梭效应两大核心难题。PAM骨架提供力学支撑，CMCS提供Zn²⁺配位与多碘离子排斥功能，叔丁胺调控进一步增强了负电微环境。该水凝胶不仅显著提升了Zn²⁺迁移数和离子电导率，还通过静电排斥机制有效抑制了多碘离子穿梭。所组装的对称电池和全电池分别在3500小时和20000次循环中展现出优异的稳定性。该工作为发展高能量密度、长寿命的水系Zn-I₂电池以及其他金属-卤素电池体系的电解质设计提供了新的研究思路。

作者简介

朱云海

本文通讯作者

武汉纺织大学教授

▍主要研究领域

1. 高性能电极材料及储能机制；2. 电化学界面反应及调控机制；3. 纤维储能器件及能量纺织集成。

▍主要研究成果

入选湖北省高层次人才计划(楚天学者)、“武汉英才”优秀青年人才、湖北省化学化工青年创新英才、J Mater. Chem. A新锐科学家、Chem. Commun.新锐科学家，获吉林省优秀博士学位论文、武汉纺织大学五四青年奖章等荣誉。长期专注于电化学储能材料与器件的基础研究与应用开发，先后主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目(C类)、武汉市自然科学基金探索计划(晨光计划)、中国博士后基金面上项目等多项科研课题。以第一作者/通讯作者在Nat. Rev. Chem、Nat. Commun.、Chem、Joule (2篇)、Matter (4篇)、Adv. Mater. (2篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (4篇)、Energy Environ. Sci. (2篇)、ACS Nano (2篇) 等国际权威期刊发表SCI论文30余篇，多篇论文入选ESI高被引论文、热点论文及期刊封面论文。申请国家发明专利9项。担任Sci. Rep.、Natl. Sci. Open, Rare Met.、Carbon Neutralization、Nano Mater. Sci.、EcoEnergy等期刊编委/青年编委。

▍Email：yhzhu@wtu.edu.cn

孟凡陆

本文通讯作者

中国海洋大学教授

▍主要研究领域

1. 锌空气/卤素电池：正极催化材料、负极界面调控、可穿戴器件；2. 电解海水制氢：电解海水制氢催化材料、电极与电解池结构设计。

▍主要研究成果

山东省泰山学者青年专家、山东省优秀青年基金(海外)获得者、中国海洋大学青年英才一。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金、山东省优秀青年科学基金(海外)、山东省泰山学者青年专家、山东省科小创新提升项目、日照市重点研发计划等多项科研课题。在化学、材料以及能源领域顶尖期刊Nat. Chem., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等共发表SCI论文50余篇，多篇论文入选ESI高被引论文，申请中国发明专利8项，授权1项。

▍Email：mengfanlu@ouc.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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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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