水系鋅離子電池（ZIBs）由于其高安全性、生態(tài)友好性和低成本，被認(rèn)為是有前途的柔性儲能設(shè)備的候選者。然而，傳統(tǒng)的柔性水系ZIBs在彎曲和零下溫度狀態(tài)下會出現(xiàn)嚴(yán)重的容量損失。

圖1. 抗凍水凝膠電解質(zhì)的示意圖和機(jī)制

南開大學(xué)牛志強(qiáng)、天津理工大學(xué)劉麗麗等開發(fā)了一種基于四氟硼酸鋅（Zn(BF₄)₂）和聚丙烯酰胺（PAM）的抗凍水凝膠電解質(zhì)（Zn(BF₄)₂-PAM），來獲得抗凍柔性ZIB。其中，PAM基體的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確保了水凝膠電解質(zhì)的優(yōu)良機(jī)械性能和高離子傳導(dǎo)性。

更重要的是，由于BF₄^–陰離子具有很強(qiáng)的吸電子特性，其引入會誘導(dǎo)水分子形成O-H···F。因此，在Zn(BF₄)₂-PAM水凝膠中，水分子之間的氫鍵可以被明顯破壞，從而降低電解質(zhì)的冰點。結(jié)果，這種抗凍水凝膠電解質(zhì)在-70℃時仍表現(xiàn)出2.38mS cm^-1的高離子電導(dǎo)率。

圖2. 不同濃度的ZnSO₄-PAM和Zn(BF4)₂-PAM水凝膠電解質(zhì)的特性

因此，即使在-70℃，Zn//PANI電池也能提供非凡的電化學(xué)性能，如41%的高容量保持率和100次循環(huán)后100%的卓越循環(huán)容量保持率。此外，在將液體轉(zhuǎn)化為水凝膠的聚合過程中，正極、隔膜和負(fù)極的成分可以被納入Zn(BF4)₂-PAM水凝膠電解質(zhì)中，實現(xiàn)一體化的一體式ZIBs。水凝膠電解質(zhì)的優(yōu)良機(jī)械性能和一體化配置賦予了抗凍ZIBs高度的柔韌性。

因此，即使在-70℃時，由此產(chǎn)生的ZIBs在不同的彎曲狀態(tài)下也能保持穩(wěn)定的電化學(xué)性能。這項工作將為水系ZIBs的應(yīng)用鋪平道路，并為構(gòu)建超低溫水系電池開辟新的機(jī)會。

圖3. 機(jī)械變形和超低溫條件下的抗凍柔性ZIB的模擬應(yīng)用

An Anti-Freezing Hydrogel Electrolyte for Flexible Zinc-Ion Batteries Operating at ?70 °C. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202214546