摘要
由于化石能源的有限性及过渡消耗引发的环境和能源问题，绿色能源受到广泛关注。然而，绿色能源的间歇性特点使得其储存问题成为近些年来研究的重点。作为储能系统的关键组件，锌离子电池（ZIBs）得益于锌的高理论比容量、低电极电位、制备工艺简单、环境友好以及良好的安全性等优点被研究者广泛关注。但是，在水溶液环境中工作的ZIBs电极，仍然面临负极锌枝晶不可控生长、析氢反应（HER）和表面钝化等挑战。同样地，ZIBs正极存在活性物质溶解、不可逆相变等问题，限制了ZIBs的实际应用性能。针对上述问题，研究同行开展了适用于ZIBs的凝胶电解质研究，交联高分子链能限制电解液与锌的反应活性，从而有效抑制枝晶生长和HER反应，并减缓部分正极材料的溶解。此外，凝胶电解质的优良柔韧性允许其制备的柔性器件在弯曲或扭折等形变状态下稳定工作，为柔性电源设备的设计提供了新的可能。但是研究同行对凝胶电解质的研究存在制备工艺复杂或者添加有毒试剂使材料具有毒性等缺点，而且针对具有前途的MnO2正极材料溶解问题，研究同行最常用的解决方法是在电解质中补充Mn2+，以防止MnO2溶解，但是电解质中大量的Mn2+并不参与抑制MnO2溶解过程，使得阴极MnO2溶解导致电池失效的问题依然存在。基于海藻酸钠（SA）水凝胶的制备简易性，其内有丰富的亲水基团以及作为Zn2+传输的有效介质。本文以SA基水凝胶为研究对象，通过在SA水凝胶内部聚合丙烯酸锌以促进电解质中Mn2+沉积以补偿正极MnO2失效，和添加UIO-66以促进锌负极均匀沉积两种手段，旨在提升凝胶电解质的电化学性能，实现ZIBs的长循环寿命。具体内容如下： （1）开发了一种新型海藻酸钠/聚丙烯酸锌复合水凝胶（PAZ-S），促进正极Mn2+沉积，提升了ZIBs循环寿命。利用-COO-基团的高亲锌性，本文采用氧化锌中和丙烯酸并将其聚合于SA水凝胶中，形成PAZ-S凝胶电解质。使用PAZ-S凝胶电解质组装的Zn/Zn对称电池展现出长达690h的稳定循环性能。此外，通过对PAZ-S中的离子运输过程研究，发现PAZ-S凝胶电解质促进了Mn2+在正极的可逆沉积，并能弥补正极材料MnO2的溶解损失。将PAZ-S凝胶电解质组装在Zn/MnO2全电池中，在0.5Ag-1电流密度下，稳定循环400圈后容量仍保持153.4mAhg-1，容量保持率为77.2%。通过扫描电子显微镜（SEM）、三维共聚焦激光扫描显微镜对PAZ-S凝胶电解质进行表征，结果表明其能抑制锌负极的枝晶生成。X射线光电子能谱（XPS）及透射电子显微镜（TEM）的分析显示PAZ-S凝胶电解质能对MnO2正极在循环过程中的性能衰退起到弥补作用，进而有效提升电池的整体循环稳定性。组装的软包电池在0.2Ag-1电流密度下仍能稳定循环50圈，且容量维持在171.9mAhg-1，展现出优异的应用潜力。即使电池经受锤击、针刺和剪切实验，其仍能有效地驱动风扇，表明该电池具备在遭受损伤和特殊情形下维持正常运作的能力。 （2）开发了一种UIO-66/海藻酸钠复合水凝胶，研究了其对锌负极可逆性的影响。UIO-66内部富含路易斯酸性位点、大比表面积和丰富的孔结构特点，有望增强离子传输效率；此外Zr-O配位键，其在水溶液中展现了较好的稳定性。基于此，本文将UIO-66与海藻酸钠复合制备了U-SA凝胶电解质，在最优组分下，以0.1U-SA为凝胶电解质组装的Zn/Zn对称电池，实现了750h的稳定循环。此外，在0.5Ag-1电流密度下，由0.1U-SA凝胶电解质组装的Zn/MnO2全电池能够维持600次循环，其容量仍保持60.2%达126.4mAhg-1。采用SEM、X射线衍射（XRD）和电化学性能测试等方法对0.1U-SA进一步分析，揭示了其不仅抑制了锌负极的枝晶生成，还提升了离子电导率和降低了电池内阻。将0.1U-SA凝胶电解质组装在软包电池中，在0.2Ag-1电流密度下，电池能稳定循环100圈并保持91.3mAhg-1的容量。此外，该水凝胶电解质制成软包电池在弯曲状态下仍能稳定驱动风扇，展现了该水凝胶在柔性电池领域的应用潜力。
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