水凝胶电解质改善杂化电池稳定性

近日，华南师范大学教授侯贤华团队联合深圳理工大学、中国科学院深圳先进技术研究院，针对凝胶电解质在充放电过程中易收缩并与电极脱离的问题，设计了双层水凝胶结构。实验表明，该设计有助于保持电极接触，提高电池容量和循环稳定性。相关成果发表于《先进材料》（Advanced Materials）。 电池充放电时，电解质承担传输带电粒子的作用。水凝胶是一种富含水、柔软且具有弹性的材料，可用作电解质，但其在电场作用下发生的收缩可能使其与电极逐渐脱离，影响电池性能。 在国家自然科学基金等资助下，研究人员以锌钠杂化电池为对象，设计了双层水凝胶结构。该结构利用两层材料不同的形变特点，由靠近正极的一层补偿另一层的收缩，同时引入能够参与储能的成分。在充放电过程中直接观察到，单层弱极性聚丙烯酰胺水凝胶向锌负极一侧收缩后难以恢复，导致正极材料利用率降低。引入第二层强极性聚丙烯酸钠水凝胶后，该层能够随充放电发生可逆形变，补偿原有材料的收缩。两层材料配合减轻了正极侧的接触损失，为电池反复充放电提供了更稳定的界面。 常规电解质主要负责传导离子。该研究中，正极侧水凝胶在缓解物理层面电解质-电极材料失配的同时，还能参与储能。研究人员在其中加入亚铁氰化钠，该成分可在充放电过程中可逆地释放和接纳电子，为电池贡献额外容量。因此，双层设计不仅改善了接触，也使电解质中的活性成分参与充放电反应。 实验中，采用双层水凝胶的电池初始放电容量比单层体系提高约20%；经过500次充放电后，仍保留初始容量的93.5%。团队还将该设计用于软包电池，验证了其在软包器件中的可行性。研究表明，改善电池性能需关注材料在充放电时能否持续贴合电极，并将可逆形变与储能功能结合。 该工作为水凝胶电解质设计和电池界面调控提供了新思路，同时对同类电池的产业应用具有一定借鉴作用。