鋅離子電池（ZIBs）因高理論容量、安全性強、成本低廉等優勢，成為新一代儲能器件的研究熱點。然而，其陰極材料在充放電過程中易發生結構坍塌與溶解，鋅負極則面臨枝晶生長、析氫反應（HER）及界面鈍化等問題。傳統凝膠電解質雖兼具隔膜與電解質功能，卻受限于低離子電導率、環境適應性差（尤其是低溫失效）以及界面副反應，嚴重制約了ZIBs的實際應用。

湖南工業大學陳一教授團隊通過一鍋法成功合成了一種深共晶溶劑/離子液體復合凝膠（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）基質間的動態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2500%、抗凍溫度達-49°C。基于PDEM組裝的鋅離子電池在-20°C極端環境下仍穩定運行，對稱電池循環壽命突破1003小時（2.0 mA cm?²）。同時，其在柔性傳感領域也表現卓越，為下一代固態電解質設計開辟新路徑。

凝膠設計與基礎性能

PDEM由PAM基質、DES（Zn(ClO?)?/乙二醇）及離子液體EMIMBF?復合而成（圖1）。FTIR光譜（圖2a-b）顯示，EMIMBF?的引入使-NH鍵特征峰藍移、-OH峰紅移，表明其強電負性調控了氫鍵網絡。DSC測試（圖2c）證實PDEM凝固點低至-49.8°C，遠優于對照組（PAZ: -32.1°C；PDS: -45.3°C）。在-40°C環境中放置2小時后，PDEM仍保持透明與柔性（圖2d），而PAZ完全凍結。拉曼光譜（圖2e-h）進一步揭示EMIMBF?破壞自由水分子間氫鍵，形成新型O-H-F網絡，增強抗凍性。SEM圖像（圖2i-k）顯示PDEM截面結構更均勻，元素分布（圖2l）證實各組分穩定分散，為電化學穩定性奠定基礎。

圖1.凝膠電解質的制備與性能優勢示意圖 圖中展示： 通過氫鍵相互作用（高低作用力區域）、離子液體（EMIMBF?）和深共晶溶劑（DES）調控Zn²?溶劑化結構 關鍵組分：乙二醇（EG）、Zn(ClO?)?、丙烯酰胺（AM）、交聯劑（MBA） 輸出應用：抗凍柔性電池（帶粘附界面）和柔性傳感器 

圖2.PAZ、PDS與PDEM凝膠電解質性能對比 a) 傅里葉紅外光譜曲線 b) 局部放大細節（-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小時后的凝膠狀態照片 e-g) 拉曼光譜（3000-3800 cm?¹范圍）：e) PAZ, f) PDS, g) PDEM h) 結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 

力學與粘附性能

PDEM展現出驚人的機械性能：含0.9 mL EMIMBF?時，斷裂伸長率達2500%（應力20.1 kPa）（圖3e）。循環拉伸測試中（圖3g-j），PDEM在1200%形變下能量損耗僅48.56 kJ m?³，滯后率14%，遠低于對照組。其壓縮強度隨DES與離子液體含量增加而提升，PD?.?EM?.?可達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，剪切強度達鋅箔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定，歸功于機械互鎖界面與自修復能力（圖4g）。

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

圖4.PDEM粘附性能 a) 在不同基底（鋁、銅、鋅、鋼）上的粘附狀態 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試 e) PDEM與豬皮的搭接剪切曲線 f) 指尖剝離時的拉絲現象 g) 自愈合性能測試（切割后重組） h) 水流沖洗下在豬皮及人體皮膚的粘附穩定性 i) PDEM與豬皮的粘附機制示意圖 

電化學與傳感應用

PDEM離子電導率高達31.74 mS cm?¹（圖5a），源于EMIMBF?降低凝膠粘度并促進離子傳輸。基于此的柔性應變傳感器（圖5c-h）可精準監測手指彎曲、手腕轉動及頭部活動，應變系數（GF）達1.15。在電池應用中（圖6a-f），Zn||PDEM||VO?全電池在0.1 A g?¹下放電容量達340.4 mAh g?¹，1000次循環后容量保持率92.7%。Zn²?遷移數提升至0.915（圖6d），為傳統電解質的近兩倍。低溫測試（圖6l-n）顯示，-20°C下PDEM電導率保持5.26 mS cm?¹，全電池穩定循環745次。理論計算（圖6j-k）揭示ClO??和BF??通過取代[Zn(H?O)?]²?中的水分子，形成“貧水”溶劑化結構，有效抑制析氫與枝晶生長。

圖5.凝膠離子電導率與柔性傳感器應用 a) DES/EMIMBF?添加量對離子電導率的影響 b) PDEM與其他PAM基凝膠的離子電導率/拉伸應變對比 c) PDEM凝膠的應變系數（GF值） d-h) PDEM傳感器在人體運動監測中的動態響應： d) 食指不同彎曲角度 e) 手腕彎曲 f) 肘部彎曲 g) 頭部左右轉動 h) 傳感器在人體部位布置示意圖 i) 不同拉伸應變下的動態響應 j) 階梯應變下的信號穩定性 

圖6.全電池與電化學性能 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下的長循環性能 c) 倍率性能 d) PDEM的Zn²?遷移數 e) 第20次/100次循環后的電化學阻抗譜 f) 靜置24小時后的自放電曲線 g) Zn||Zn對稱電池的塔菲爾曲線 h) Zn||PDEM||VO?全電池不同掃速下的循環伏安曲線 i) PDEM內部分子運動機制示意圖 j) 靜電勢（ESP）計算結果 k) 結合能計算結果 l) -20°C下離子電導率 m) Zn||VO?全電池在不同溫度下的性能 n) -20°C/1.0 A g?¹下的長循環測試 

電池性能驗證

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

圖7.對稱電池/半電池/柔性電池性能驗證 a) 鋅枝晶生長/HER形成與Zn²?均勻沉積對比示意圖 b) Zn||Zn對稱電池的倍率性能（1–5 mA cm?², 1 mAh cm?²） c) 10 mA cm?²/10 mAh cm?²下的長循環 d) 2 mA cm?²/1 mAh cm?²下的循環壽命 e) PDEM與其他PAM基凝膠在對稱電池中的性能對比 f) 循環300小時后鋅負極的SEM圖像 g) 鋅負極的非原位XRD圖譜 h) Zn||Cu半電池不同循環次數的容量-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柔性電池為手機充電演示 k) 不同溫度下柔性電池的循環性能（插圖為組裝示意圖） l) 剪切/彎曲后的庫侖效率（CE）

總結與展望

PDEM凝膠通過動態氫鍵與離子相互作用，同步實現了卓越抗凍性、超強柔韌性和高效離子傳輸，為鋅離子電池在極端環境下的應用提供可靠解決方案。其兼具的生物相容性與傳感功能，進一步拓展了在可穿戴設備與智能醫療領域的潛力。該研究為開發新一代多功能固態電解質樹立了標桿，有望推動柔性電子與綠色能源存儲技術的革新。