水性锌离子电池（AZIBs）因其环保、安全且低成本的特点，在柔性电子和先进储能领域极具潜力。然而，传统电解质中锌枝晶生长、副反应及机械不稳定性等问题限制了其实际应用。
在此，四川大学张千玉团队提出了一种新型硫酸软骨素功能化聚丙烯酰胺（PAM-CS）水凝胶电解质以解决这些挑战。PAM-CS水凝胶整合了羟基（−OH）、强电负性磺酸基（−SO₃⁻）和羧酸基（−COO⁻）等多种官能团，通过与自由水分子形成氢键降低其活性，抑制副反应。此外，强电负性基团通过静电相互作用构建动态配位网络，促进Zn²⁺快速迁移和均匀沉积。
实验结果表明，Zn||PAM-CS||Zn对称电池在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下稳定循环超过1200小时，而Zn||PAM-CS||NH₄V₄O₁₀全电池在5 A g⁻¹高电流密度下仍保持87 mAh g⁻¹的优异比容量。此外，基于PAM-CS的柔性软包电池在弯曲、穿刺和切割等机械应力下仍能稳定工作，展现了其在可穿戴电子设备中的应用潜力。
图1. 理论计算
总之，该工作通过引入硫酸软骨素（CS）理性设计并构建了PAM-CS水凝胶电解质。该电解质通过−OH、−SO₃⁻和−COO⁻等官能团与自由水分子形成氢键，降低水活性并抑制副反应；同时，动态配位网络为Zn²⁺提供了快速迁移通道，促进（002）晶面择优取向的均匀锌沉积。
分子动力学模拟和密度泛函理论计算证实，这些官能团通过取代水分子稳定Zn²⁺溶剂化结构，减少局部浓度梯度，从而抑制枝晶成核。电化学测试表明：Zn||PAM-CS||Zn对称电池在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下稳定循环1200小时，远超传统PAM水凝胶（750小时）；Zn||Cu半电池循环400次后库仑效率仍达99.7%；Zn||NH₄V₄O₁₀全电池在5 A g⁻¹高倍率下容量保持87 mAh g⁻¹。
此外，柔性软包电池在极端机械形变下仍能驱动LED显示，验证了其适用于可穿戴准固态储能设备的潜力。动态交联网络策略为提升AZIBs的电化学性能提供了重要思路，PAM-CS水凝胶在离子电导率、循环稳定性和机械柔性等方面均优于现有报道的电解质体系。
图2. 电池性能
Dynamic Cross‐Linking Network Construction of Flexible Hydrogel Electrolyte Enabling Dendrite‐Free Zinc Anode, Advanced Energy Materials 2025 DOI: 10.1002/aenm.202502217
张千玉，山东菏泽人，四川省杰青，理学博士&博士后，博士生导师，副研究员（长聘岗位）。毕业于复旦大学；2013~2014年美国加利福尼亚大学圣迭戈分校（UCSD）；2015~2017年中国科学院广州能源研究所助理研究员；2018~2019年美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）访问学者；2019~2020年美国树城州立大学（BSU）高级研究学者；2021年~至今四川大学材料科学与工程学院副研究员。长期从事新能源材料方向基础研究及应用工作，主要聚焦于水系二次电池、固态电池、锂硫电池及锂/钠/钾离子电池等方向研究，迄今以第一/通讯作者在Energy & Environmental Science、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Materials Today、Materials Science & Engineering R等国际著名期刊上发表SCI论文60余篇。