鋅離子電池（ZIBs）因高理論容量、安全性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，成為新一代儲(chǔ)能器件的研究熱點(diǎn)。然而，其陰極材料在充放電過(guò)程中易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌與溶解，鋅負(fù)極則面臨枝晶生長(zhǎng)、析氫反應(yīng)（HER）及界面鈍化等問(wèn)題。傳統(tǒng)凝膠電解質(zhì)雖兼具隔膜與電解質(zhì)功能，卻受限于低離子電導(dǎo)率、環(huán)境適應(yīng)性差（尤其是低溫失效）以及界面副反應(yīng)，嚴(yán)重制約了ZIBs的實(shí)際應(yīng)用。

湖南工業(yè)大學(xué)陳一教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)一鍋法成功合成了一種深共晶溶劑/離子液體復(fù)合凝膠（PDEM），解決了上述難題。該凝膠利用深共晶溶劑（DES）、離子液體（EMIMBF?）與聚丙烯酰胺（PAM）基質(zhì)間的動(dòng)態(tài)氫鍵與離子相互作用，顯著抑制自由水活性，賦予PDEM超凡性能：拉伸形變高達(dá)2500%、抗凍溫度達(dá)-49°C。基于PDEM組裝的鋅離子電池在-20°C極端環(huán)境下仍穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)稱電池循環(huán)壽命突破1003小時(shí)（2.0 mA cm?²）。同時(shí)，其在柔性傳感領(lǐng)域也表現(xiàn)卓越，為下一代固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)開(kāi)辟新路徑。

凝膠設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)性能

PDEM由PAM基質(zhì)、DES（Zn(ClO?)?/乙二醇）及離子液體EMIMBF?復(fù)合而成（圖1）。FTIR光譜（圖2a-b）顯示，EMIMBF?的引入使-NH鍵特征峰藍(lán)移、-OH峰紅移，表明其強(qiáng)電負(fù)性調(diào)控了氫鍵網(wǎng)絡(luò)。DSC測(cè)試（圖2c）證實(shí)PDEM凝固點(diǎn)低至-49.8°C，遠(yuǎn)優(yōu)于對(duì)照組（PAZ: -32.1°C；PDS: -45.3°C）。在-40°C環(huán)境中放置2小時(shí)后，PDEM仍保持透明與柔性（圖2d），而PAZ完全凍結(jié)。拉曼光譜（圖2e-h）進(jìn)一步揭示EMIMBF?破壞自由水分子間氫鍵，形成新型O-H-F網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)抗凍性。SEM圖像（圖2i-k）顯示PDEM截面結(jié)構(gòu)更均勻，元素分布（圖2l）證實(shí)各組分穩(wěn)定分散，為電化學(xué)穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

圖1.凝膠電解質(zhì)的制備與性能優(yōu)勢(shì)示意圖 圖中展示： 通過(guò)氫鍵相互作用（高低作用力區(qū)域）、離子液體（EMIMBF?）和深共晶溶劑（DES）調(diào)控Zn²?溶劑化結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵組分：乙二醇（EG）、Zn(ClO?)?、丙烯酰胺（AM）、交聯(lián)劑（MBA） 輸出應(yīng)用：抗凍柔性電池（帶粘附界面）和柔性傳感器 

圖2.PAZ、PDS與PDEM凝膠電解質(zhì)性能對(duì)比 a) 傅里葉紅外光譜曲線 b) 局部放大細(xì)節(jié)（-NH與-OH鍵位移） c) 差示掃描量熱（DSC）曲線 d) 25°C與-40°C放置2小時(shí)后的凝膠狀態(tài)照片 e-g) 拉曼光譜（3000-3800 cm?¹范圍）：e) PAZ, f) PDS, g) PDEM h) 結(jié)合水與自由水的比例 i-k) 掃描電鏡（SEM）圖像：i) PAZ, j) PDS, k) PDEM l) PDEM中氟（F）和氯（Cl）元素分布 

力學(xué)與粘附性能

PDEM展現(xiàn)出驚人的機(jī)械性能：含0.9 mL EMIMBF?時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)2500%（應(yīng)力20.1 kPa）（圖3e）。循環(huán)拉伸測(cè)試中（圖3g-j），PDEM在1200%形變下能量損耗僅48.56 kJ m?³，滯后率14%，遠(yuǎn)低于對(duì)照組。其壓縮強(qiáng)度隨DES與離子液體含量增加而提升，PD?.?EM?.?可達(dá)181.32 kPa（圖3l）。粘附性能方面（圖4a-f），PDEM緊密貼合鋁、銅、鋅、鋼材及豬皮，剪切強(qiáng)度達(dá)鋅箔16.7 kPa、豬皮24.2 kPa。即便水流沖刷（圖4h），其與生物組織的粘附仍穩(wěn)定，歸功于機(jī)械互鎖界面與自修復(fù)能力（圖4g）。

圖3.復(fù)合凝膠電解質(zhì)力學(xué)性能測(cè)試 a) PD?.?EM?.?的外觀與扭曲狀態(tài) b) 拉伸示意圖 c) 抗沖擊演示 d) 提舉100g重物 e) 不同DES/EMIMBF?添加量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 f) 凝膠韌性與彈性模量 g) PD?.?EM?.?在100–1200%應(yīng)變下的循環(huán)拉伸曲線 h) PD?.?S在同等條件下的循環(huán)拉伸曲線 i) PD?.?EM?.?在30–600%應(yīng)變下的循環(huán)拉伸 j-k) PD?.?EM?.?在800% (j) 和100% (k) 應(yīng)變下的循環(huán)拉伸 l) 不同組分凝膠的壓縮性能 m) PD?.?EM?.?在60%應(yīng)變下50次循環(huán)壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 

圖4.PDEM粘附性能 a) 在不同基底（鋁、銅、鋅、鋼）上的粘附狀態(tài) b) PAZ/PDS/PDEM與鋅箔界面的3D景深圖像 c) PDEM在不同基底上的搭接剪切曲線 d) 粘附于豬皮表面的扭曲與褶皺測(cè)試 e) PDEM與豬皮的搭接剪切曲線 f) 指尖剝離時(shí)的拉絲現(xiàn)象 g) 自愈合性能測(cè)試（切割后重組） h) 水流沖洗下在豬皮及人體皮膚的粘附穩(wěn)定性 i) PDEM與豬皮的粘附機(jī)制示意圖 

電化學(xué)與傳感應(yīng)用

PDEM離子電導(dǎo)率高達(dá)31.74 mS cm?¹（圖5a），源于EMIMBF?降低凝膠粘度并促進(jìn)離子傳輸。基于此的柔性應(yīng)變傳感器（圖5c-h）可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)手指彎曲、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)及頭部活動(dòng)，應(yīng)變系數(shù)（GF）達(dá)1.15。在電池應(yīng)用中（圖6a-f），Zn||PDEM||VO?全電池在0.1 A g?¹下放電容量達(dá)340.4 mAh g?¹，1000次循環(huán)后容量保持率92.7%。Zn²?遷移數(shù)提升至0.915（圖6d），為傳統(tǒng)電解質(zhì)的近兩倍。低溫測(cè)試（圖6l-n）顯示，-20°C下PDEM電導(dǎo)率保持5.26 mS cm?¹，全電池穩(wěn)定循環(huán)745次。理論計(jì)算（圖6j-k）揭示ClO??和BF??通過(guò)取代[Zn(H?O)?]²?中的水分子，形成“貧水”溶劑化結(jié)構(gòu)，有效抑制析氫與枝晶生長(zhǎng)。

圖5.凝膠離子電導(dǎo)率與柔性傳感器應(yīng)用 a) DES/EMIMBF?添加量對(duì)離子電導(dǎo)率的影響 b) PDEM與其他PAM基凝膠的離子電導(dǎo)率/拉伸應(yīng)變對(duì)比 c) PDEM凝膠的應(yīng)變系數(shù)（GF值） d-h) PDEM傳感器在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)： d) 食指不同彎曲角度 e) 手腕彎曲 f) 肘部彎曲 g) 頭部左右轉(zhuǎn)動(dòng) h) 傳感器在人體部位布置示意圖 i) 不同拉伸應(yīng)變下的動(dòng)態(tài)響應(yīng) j) 階梯應(yīng)變下的信號(hào)穩(wěn)定性 

圖6.全電池與電化學(xué)性能 a) Zn||VO?全電池的恒電流充放電曲線（0.1/1.0 A g?¹） b) 1.0 A g?¹下的長(zhǎng)循環(huán)性能 c) 倍率性能 d) PDEM的Zn²?遷移數(shù) e) 第20次/100次循環(huán)后的電化學(xué)阻抗譜 f) 靜置24小時(shí)后的自放電曲線 g) Zn||Zn對(duì)稱電池的塔菲爾曲線 h) Zn||PDEM||VO?全電池不同掃速下的循環(huán)伏安曲線 i) PDEM內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)機(jī)制示意圖 j) 靜電勢(shì)（ESP）計(jì)算結(jié)果 k) 結(jié)合能計(jì)算結(jié)果 l) -20°C下離子電導(dǎo)率 m) Zn||VO?全電池在不同溫度下的性能 n) -20°C/1.0 A g?¹下的長(zhǎng)循環(huán)測(cè)試 

電池性能驗(yàn)證

Zn||PDEM||Zn對(duì)稱電池在2 mA cm?²下循環(huán)1003小時(shí)（圖7d），10 mA cm?²高電流密度下仍穩(wěn)定運(yùn)行（圖7c）。SEM與XRD分析（圖7f-g）證實(shí)PDEM誘導(dǎo)Zn²?沿(002)晶面均勻沉積，抑制枝晶。柔性電池Zn||PDEM||VO?@CC可為手機(jī)充電（圖7j），剪切與彎曲后庫(kù)侖效率仍達(dá)98%（圖7l），在-20°C下輸出容量160 mAh g?¹（圖7k）。

圖7.對(duì)稱電池/半電池/柔性電池性能驗(yàn)證 a) 鋅枝晶生長(zhǎng)/HER形成與Zn²?均勻沉積對(duì)比示意圖 b) Zn||Zn對(duì)稱電池的倍率性能（1–5 mA cm?², 1 mAh cm?²） c) 10 mA cm?²/10 mAh cm?²下的長(zhǎng)循環(huán) d) 2 mA cm?²/1 mAh cm?²下的循環(huán)壽命 e) PDEM與其他PAM基凝膠在對(duì)稱電池中的性能對(duì)比 f) 循環(huán)300小時(shí)后鋅負(fù)極的SEM圖像 g) 鋅負(fù)極的非原位XRD圖譜 h) Zn||Cu半電池不同循環(huán)次數(shù)的容量-電壓曲線 i) Zn||Cu半電池在1 mA cm?²下的容量保持率 j) Zn||PDEM||VO?@CC柔性電池為手機(jī)充電演示 k) 不同溫度下柔性電池的循環(huán)性能（插圖為組裝示意圖） l) 剪切/彎曲后的庫(kù)侖效率（CE）

總結(jié)與展望

PDEM凝膠通過(guò)動(dòng)態(tài)氫鍵與離子相互作用，同步實(shí)現(xiàn)了卓越抗凍性、超強(qiáng)柔韌性和高效離子傳輸，為鋅離子電池在極端環(huán)境下的應(yīng)用提供可靠解決方案。其兼具的生物相容性與傳感功能，進(jìn)一步拓展了在可穿戴設(shè)備與智能醫(yī)療領(lǐng)域的潛力。該研究為開(kāi)發(fā)新一代多功能固態(tài)電解質(zhì)樹(shù)立了標(biāo)桿，有望推動(dòng)柔性電子與綠色能源存儲(chǔ)技術(shù)的革新。