1 导读

水凝胶电解质凭借其优异的柔韧性和卓越的电化学性能，在水性锌离子电池（AZIBs）的大规模应用中展现出巨大潜力。然而，传统水凝胶电解质因含水量过高，普遍存在电化学稳定窗口狭窄、循环稳定性差的问题。近年来，贫水策略已成为解决这一难题的有效途径。本文通过阐述贫水凝胶电解质（L-WHE）的基本原理、探讨实用化开发策略，并展望其未来发展前景，系统梳理了ZAIBs中L-WHE的最新研究进展。

2 背景介绍

为实现“碳中和”目标，大规模电化学储能（EES）设备对高能量密度和长寿命的需求日益增长。尽管锂离子电池（LIBs）已广泛应用，但其资源限制、成本高昂、理论能量密度受限以及安全隐患等问题促使研究人员寻求替代技术。水系锌离子电池（AZIBs）因其低成本、高安全性、环境友好性等优点成为备受关注的研究对象。然而，锌金属与水的强反应性易引发副反应（如析氢反应，HER）和不可逆的Zn²⁺损失，导致电池效率低、循环稳定性差。液态电解质的泄漏风险也限制了其应用。凝胶电解质作为一种准固态电解质，结合了液态电解质的高离子导电性和固体电解质的优异机械性能，在锌电池领域备受青睐。尽管如此，传统水凝胶电解质（THEs）的高含水量仍导致其电化学稳定性窗口（ESPW）受限且在严苛条件下易蒸发。近年来，贫水凝胶电解质（L-WHEs）通过显著降低自由水含量，为克服这些挑战提供了新途径。

3 图文介绍

  本文系统讨论了L-WHEs与THEs的核心差异，包括离子传输机制及其他关键特性。总结了L-WHEs在提升离子传输效率、界面稳定性与机械性能方面的突破性进展。最后，展望未来应聚焦的研究方向、以推动L-WHEs的发展并激发该前沿领域的持续探索。

 首先，作者通过L-WHEs与THEs的对比得出结论： L-WHEs通过减少自由水含量，有效抑制副反应，拓宽了电化学稳定性窗口（ESPW），并增强了界面稳定性。与THEs依赖“vehicular diffusion”不同，L-WHEs中的Zn²⁺传导主要通过聚合物主导的配位跳跃模式。

图1. THEs和L-WHEs的优势和劣势对比。

随后，作者总结了开发实用L-WHEs的策略，包括亲水性官能团设计、SICE构建和高浓度电解质（HCEs）调控。随后梳理了最新的研究进展。

图2. 锌离子电池中L-WHEs的策略与功能。

首先介绍了亲水性官能团设计，通过设计具有特定官能团（如-SO3-）的两亲性聚合物（如图5），在低含水量（<20 wt.%）下形成分子润滑膜，优化离子传输路径，同时抑制水分解，从而获得高离子电导率和宽电化学窗口（~2.5V）。

图3. 用于开发L-WHEs的具有亲水功能基团的聚合物设计。(a) 所设计两性离子聚合物（ZIG）的离子传输“分子润滑”机制示意(b) 合成路线(c) 电化学稳定性窗口对比(d) ZIG水凝胶在不同基底上承重500g的柔性黏附光学照片。经许可转载。

随后，作者总结了单离子导体电解质构建策略,通过共价键锚定阴离子或阴离子受体，使Zn²⁺成为主要电荷载体，从而抑制锌枝晶生长、减少副反应并提高库伦效率（图6、图7）

图4. L-WHEs 单离子导体设计策略。（a） 基于SICEs的水凝胶的离子传输机制及溶剂化结构示意图。(b) 通过共价键固定阴离子的SICEs基水凝胶 (c) 通过阴离子受体固定。经许可转载自文献。

图5. 贫水SICEs基水凝胶电解质。(a) CD-PEO/PAM水凝胶在外电场作用下Zn²⁺的制备过程及迁移示意图。经许可转载自文献。(b) 俯视图和剖面图显示-SO₃-和PAM在共价有机框架孔道中为Zn²⁺离子的快速迁移提供了“阶梯”。经许可转载自文献。(c) CNF -SO₃Zn结构示意图、干强度、湿强度以及单离子功能化纳米纤维素膜的数码照片。经许可转载自文献。

最后作者总结了高浓度电解质策略。通过大幅提高盐浓度、减少自由水，迫使水分子主要参与离子溶剂化鞘，从而有效抑制水的氧化还原活性，显著拓宽电解质的电化学稳定窗口（图8）。

图6. 用于开发L-WHEs的盐工程。(a)盐包水基水凝胶示意图，以及通过30 m氯化锌溶液中的盐耐受训练过程制备熔融水合物水凝胶。经许可转载自文献。(b) 盐-聚合物与聚合物-盐电解质之间溶剂化结构、离子传输、离子/分子相互作用及相图的对比示意图。经许可转载自文献。

4 总结与展望

L-WHEs（包括亲水基团型、SICE型和HCE型）相较THEs显著优越，通过降低水含量提升电极-电解质相容性、拓宽ESPW并优化ZIBs电化学性能。关键在于离子导电率与水含量的平衡。尽管取得进展，L-WHEs仍面临界面动力学研究不足、安全滥用条件验证缺失和石油基聚合物环境不友好等问题。未来需聚焦生物基凝胶电解质，实现全生命周期绿色供应链；设计多功能亲水基团（如两亲离子型和极性型）构建高通量Zn²⁺通道；优化SICE以提升锌离子迁移数和导电率（如低电负性中心原子和柔性间隔基）；HCE需评估粘度、韧性和实际袋式电池性能。通过机器学习和原位表征，推动L-WHEs向高能量密度、宽温域柔性AZIBs的产业化应用。

5 通讯作者

李宝华教授，清华大学深圳国际研究生院长聘教授、博士生导师、国务院政府特殊津贴专家、国家有突出贡献中青年专家。主要从事电化学储能材料与器件（固态电池、锂/钠离子电池、电池回收技术）等研究工作。承担了包括国家重大科学研究计划（973）项目子课题、国家自然科学基金重点项目子课题、联合基金及面上项目、省重点研发计划、地市级专项以及企业合作项目百余项， 2020-2024连续五年入选科睿唯安全球高被引科学家，Energy & Environmental Materials副主编, Journal of Materials Chemistry A顾问编委，在Nature、Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy等国内外期刊发表SCI论文520多篇，ESI高被引用论文39篇，SCI引用52000多次，H因子121，获授权发明专利136项，已实现30多项专利技术应用。研究成果曾获“国家技术发明二等奖”，“广东省科学技术奖自然科学奖一等奖”等多项科技奖励。个人主页：https://www.sigs.tsinghua.edu.cn/lbh/list.htm

刘琦，湖南大学材料科学与工程学院副教授，硕/博士导师（博士优先考虑直博）。主要从事固态电池及碳基材料在锂钠电池应用等方面相关研究，主持国自科联合基金重点项目子课题等纵向项目5项，横向课题5项，目前在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等期刊已合作发表高质量论文30余篇，ESI高被引论文5篇，总引用次数超过3700次，H-index 27。担任Energy Materials and Devices(Assistant Editor)、Battery Energy,《电池-中文核心》等4个期刊青年编委。受邀担任Adv. Energy Mater., ACS Nano, Energy Stor. Mater.等期刊独立审稿人。

个人主页：https://grzy.hnu.edu.cn/site/edit

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请申请人将以上材料发送至邮箱 libh@sz.tsinghua.edu.cn并抄送至liuq21@hnu.edu.cn，邮件主题请注明：“姓名-博士后申请-申请研究方向”。

详细链接：https://mp.weixin.qq.com/s/j9_W50ZJ6783H5hFdKS4tA

期刊简介

Energy Materials and Devices是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，清华大学康飞宇教授担任主编。本刊是一本瞄准能源材料前沿领域的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。

期刊于2023年9月创刊，现已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ、Inspec等数据库收录，入选2024中国科技期刊“卓越行动计划”二期高起点新刊项目。

收稿范围包括但不限于：二次电池、太阳能电池、燃料电池、超级电容器、液流电池、安全评估、 电池回收、 碳足迹和碳税负等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。

诚邀与具有引领性、创新性和实用性的先进能源材料与器件相关的文章投稿！2027年前投稿免APC！

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