水凝膠電解質(zhì)制備工藝及對(duì)鋅離子電池性能的提升機(jī)制目錄內(nèi)容概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41.1研究背景與意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．51.1.1鋅離子電池的發(fā)展概況．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91.1.2水凝膠電解質(zhì)的重要性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．121.1.3提升鋅離子電池性能的必要性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．141.2研究目的與內(nèi)容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．161.2.1研究目標(biāo)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．191.2.2研究?jī)?nèi)容概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20文獻(xiàn)綜述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．232.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．242.1.1鋅離子電池技術(shù)進(jìn)展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．252.1.2水凝膠電解質(zhì)的研究進(jìn)展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．282.2存在問(wèn)題與挑戰(zhàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．292.2.1現(xiàn)有技術(shù)的不足．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．322.2.2面臨的主要問(wèn)題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．363.1水凝膠電解質(zhì)的理論基礎(chǔ)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．383.1.1水凝膠的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．413.1.2電解質(zhì)在電池中的作用機(jī)理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．443.2實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．463.2.1實(shí)驗(yàn)材料介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．523.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．533.3實(shí)驗(yàn)方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．543.3.1樣品制備方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．583.3.2性能測(cè)試方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．58水凝膠電解質(zhì)的制備工藝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．624.1原料選擇與預(yù)處理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．644.1.1原料的選擇標(biāo)準(zhǔn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．664.1.2原料的預(yù)處理方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．694.2水凝膠電解質(zhì)的合成過(guò)程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．734.2.1合成步驟詳解．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．744.2.2反應(yīng)條件優(yōu)化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．754.3后處理與性能評(píng)估．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．794.3.1后處理流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．814.3.2性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82鋅離子電池性能提升機(jī)制分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．855.1電化學(xué)性能改善．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．865.1.1循環(huán)穩(wěn)定性提升．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．885.1.2放電容量增加．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．915.2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．935.2.1微觀結(jié)構(gòu)的變化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．955.2.2機(jī)械強(qiáng)度的提高．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．965.3環(huán)境適應(yīng)性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．995.3.1溫度適應(yīng)性研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1015.3.2濕度適應(yīng)性研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．104結(jié)果與討論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1056.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1086.1.1制備工藝參數(shù)的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1116.1.2性能測(cè)試結(jié)果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1126.2結(jié)果討論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1156.2.1與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1186.2.2結(jié)果的意義與應(yīng)用前景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．120結(jié)論與展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1227.1研究結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1247.1.1水凝膠電解質(zhì)制備工藝的優(yōu)勢(shì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1257.1.2鋅離子電池性能提升機(jī)制的總結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1287.2未來(lái)研究方向．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1307.2.1技術(shù)改進(jìn)方向．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1317.2.2應(yīng)用領(lǐng)域拓展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1341.內(nèi)容概述本部分系統(tǒng)闡述了水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的應(yīng)用潛力及其制備方法。首先詳細(xì)介紹了多種制備策略，涵蓋物理交聯(lián)法、化學(xué)交聯(lián)法、自組裝技術(shù)及基于生物大分子合成等途徑，并分析了不同方法對(duì)水凝膠結(jié)構(gòu)與性能的影響。隨后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征手段，如核磁共振（NMR）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）和電化學(xué)測(cè)試等，針對(duì)制備得到的水凝膠電解質(zhì)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能的表征，以驗(yàn)證其適用性。在此基礎(chǔ)上，深入探討了水凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅離子電池性能提升的具體機(jī)制，主要包括其高離子電導(dǎo)率、優(yōu)異的柔性、良好的隔膜功能以及抑制鋅枝晶成核與生長(zhǎng)的能力等方面，并輔以相關(guān)理論闡釋。此外結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了目前水凝膠電解質(zhì)制備工藝的不足之處，并為未來(lái)優(yōu)化電池性能提供了可行性思路和建議，旨在為開發(fā)高效、安全的鋅離子電池提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。核心內(nèi)容具體闡述水凝膠電解質(zhì)制備方法物理交聯(lián)（如紫外照射、凍交聯(lián)）、化學(xué)交聯(lián)（如二丙烯酸酯、環(huán)氧基團(tuán)）、自組裝（如聚合物嵌段共聚物）及生物合成（如殼聚糖、絲素蛋白）等多種策略性能表征手段結(jié)構(gòu)（NMR、FTIR）、微觀形貌（SEM、AFM）、力學(xué)性能、離子電導(dǎo)率（AC阻抗法）、產(chǎn)能密度與循環(huán)壽命（恒流充放電測(cè)試）等性能提升機(jī)制高離子傳輸通道、高柔性適應(yīng)性、有效抑制枝晶形成、緩解副反應(yīng)（如副鋅酸鹽生成）研究意義與展望為高安全、長(zhǎng)壽命柔性鋅離子電池的開發(fā)提供新的材料選擇與技術(shù)路徑，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新與實(shí)用化1.1研究背景與意義鋅離子電池（ZIBs）作為一種極具潛力的新型儲(chǔ)能體系，近年來(lái)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，鋅元素具有較低的電極電位（-0.76Vvs.

SHE），使得鋅離子電池具有更高的理論比容量（3865mAhg?1）；其次，鋅資源儲(chǔ)量豐富，環(huán)境友好，無(wú)毒性，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。此外鋅離子電池的固有安全性較高，不易發(fā)生熱失控，這對(duì)于電動(dòng)汽車和規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域至關(guān)重要。然而鋅離子電池的實(shí)際應(yīng)用仍面臨一系列挑戰(zhàn)，其中鋅離子擴(kuò)散緩慢和鋅枝晶的生長(zhǎng)是制約其發(fā)展的兩大瓶頸。傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中，鋅離子在液態(tài)電解質(zhì)中的遷移數(shù)量較大，離子擴(kuò)散速率受到限制，進(jìn)而導(dǎo)致電池的倍率性能不佳和循環(huán)壽命縮短。更嚴(yán)重的是，由于液態(tài)電解質(zhì)與電極界面的不穩(wěn)定性，鋅離子在沉積過(guò)程中容易形成粗糙、不規(guī)則的長(zhǎng)枝狀結(jié)晶（即鋅枝晶），這些枝晶不僅會(huì)降低電池的有效容量，更可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，造成安全隱患，嚴(yán)重限制了鋅離子電池的安全性和穩(wěn)定性。為了克服傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的上述局限性，固態(tài)電解質(zhì)和水凝膠電解質(zhì)應(yīng)運(yùn)而生，成為近年來(lái)鋅離子電池研究的熱點(diǎn)方向。固態(tài)電解質(zhì)雖然具有較高的離子電導(dǎo)率和良好的安全性，但在制備工藝和電極潤(rùn)濕性方面仍存在挑戰(zhàn)。相比之下，水凝膠電解質(zhì)憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，展現(xiàn)出在解決鋅離子電池關(guān)鍵問(wèn)題上的巨大潛力。水凝膠是一種由親水性聚合物通過(guò)物理或化學(xué)交聯(lián)形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中含有大量水分子的水分活性和柔性結(jié)構(gòu)，為鋅離子的快速傳輸提供了便利。此外水凝膠電解質(zhì)通常具有較高的粘彈性和穩(wěn)定性，能夠有效抑制鋅枝晶的生長(zhǎng)，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。具體而言，水凝膠電解質(zhì)主要通過(guò)以下機(jī)制提升鋅離子電池性能：特殊的多孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)鋅離子快速傳輸；柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效緩沖體積膨脹，抑制枝晶形成；弱堿性環(huán)境，有利于鋅離子在正負(fù)極的可逆嵌入/脫出，提高庫(kù)侖效率；與電極材料的良好潤(rùn)濕性，降低界面阻抗，提升電化學(xué)性能。綜上所述深入研究和優(yōu)化水凝膠電解質(zhì)的制備工藝，并闡明其對(duì)鋅離子電池性能提升的內(nèi)在機(jī)制，對(duì)于推動(dòng)鋅離子電池的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。本研究旨在通過(guò)探索新型制備方法，制備出性能優(yōu)異的水凝膠電解質(zhì)，并從微觀結(jié)構(gòu)、離子傳輸和界面反應(yīng)等多個(gè)層面揭示其提升鋅離子電池性能的機(jī)制，為高性能、長(zhǎng)壽命、高安全性的鋅離子電池提供新的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，從而促進(jìn)新能源領(lǐng)域的發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。?利益相關(guān)者建議利益相關(guān)者意見建議學(xué)術(shù)界增加ZIBs與其他電池系統(tǒng)的性能對(duì)比研究工業(yè)界注重水凝膠電解質(zhì)制備成本降低和規(guī)?；a(chǎn)工藝研究政府部門加大對(duì)新一代電池技術(shù)的資金支持和政策扶持公眾加強(qiáng)ZIBs優(yōu)缺點(diǎn)及安全性宣傳，提高公眾認(rèn)知度和接受度1.1.1鋅離子電池的發(fā)展概況鋅離子電池（Zinc-ionBattery）作為一種具有寬廣電化學(xué)窗口、潛在高比容量、環(huán)境友好及安全性高等顯著優(yōu)勢(shì)的二次電池體系，長(zhǎng)期以來(lái)備受學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。其發(fā)展歷程緊密結(jié)合了材料科學(xué)、電化學(xué)以及能源需求的演變，呈現(xiàn)出多階段、多元化的發(fā)展趨勢(shì)。早期探索與初步研究階段（20世紀(jì)末至21世紀(jì)初）：鋅離子電池的研究起步較早，早期工作主要集中在鋅錳電池（Zinc-ManganeseDioxide,Zn/MnO?）的改進(jìn)以及鋅空氣電池（Zinc-AirBattery,ZAB）的基礎(chǔ)機(jī)理探索上。雖然這些電池體系展現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力，但受限于活性物質(zhì)較低的比容量、穩(wěn)定性欠佳以及對(duì)環(huán)境（如水分）敏感等問(wèn)題，未能大規(guī)模商業(yè)化。此階段是鋅離子電池體系的奠基期，對(duì)于其基本電化學(xué)過(guò)程，特別是鋅離子在電極材料中的嵌入/脫出行為，開始了初步的認(rèn)識(shí)和探索。新型正極材料的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化嘗試階段（21世紀(jì)初至2010年代）：隨著材料科學(xué)的發(fā)展，研究人員開始積極尋求能夠突破傳統(tǒng)鋅錳電池容量限制的新型正極材料，以提升鋅離子電池的整體性能。其中鋅氧化物（如氧化鋅ZnO、二氧化錳MnO?的改性形式）以及一些復(fù)合氧化物因其較高的理論容量和潛在的可逆性成為研究熱點(diǎn)。例如，通過(guò)調(diào)控鋅氧化物材料的形貌（如納米顆粒、納米線、納米管等）和化學(xué)組成，可以顯著改善其導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而提高電池的循環(huán)壽命和倍率性能。此外普魯士藍(lán)類似物（PrussianBlueAnalogues,PBAs）等金屬有機(jī)框架（Metal-OrganicFrameworks,MOFs）材料也被引入作為鋅離子電池的正極材料，展現(xiàn)出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的儲(chǔ)鋅性能。這一時(shí)期，雖然部分商業(yè)化嘗試（如堿性鋅錳電池的改進(jìn)）取得了一定進(jìn)展，但普遍面臨能量密度不高、循環(huán)壽命有限以及成本較高等挑戰(zhàn)。水凝膠電解質(zhì)技術(shù)的興起與性能提升探索階段（2010年代至今）：近年來(lái)，特別是在固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展的大背景下，鋅離子電池迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。其中以水凝膠（Hydrogel）作為電解質(zhì)材料的研究開辟了全新的方向。水凝膠不僅具有優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性、高柔性、良好的穩(wěn)定性以及潛在的“自修復(fù)”能力，而且能夠有效緩沖電極材料的體積膨脹，緩解ne?ádoucí的應(yīng)力集中，從而在提升電池循環(huán)壽命和安全性方面展現(xiàn)出巨大潛力。水凝膠電解質(zhì)相較于傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，能夠顯著抑制電解液的泄漏，降低電池的內(nèi)阻，并有望實(shí)現(xiàn)更高的能量密度和更安全的封裝形式。當(dāng)前，基于水凝膠電解質(zhì)的鋅離子電池研究正在蓬勃發(fā)展，已成為提升傳統(tǒng)水系鋅離子電池性能的關(guān)鍵研究前沿。?【表】鋅離子電池發(fā)展階段與關(guān)鍵特征概述發(fā)展階段主要研究方向代表性技術(shù)/材料主要進(jìn)展與挑戰(zhàn)典型應(yīng)用場(chǎng)景（或潛力）早期探索與初步研究Zn/MnO?改進(jìn)，ZAB機(jī)理探索堿性體系，無(wú)機(jī)正極突破環(huán)境限制，提升基本認(rèn)識(shí)，但性能受限特定便攜式設(shè)備，研究為主新型正極材料開發(fā)高容量正極材料研發(fā)ZnO，改性MnO?，PBAs，MOFs等性能提升，多樣化探索，但循環(huán)穩(wěn)定性/成本仍是瓶頸中低端便攜式電源1.1.2水凝膠電解質(zhì)的重要性水凝膠電解質(zhì)作為鋅離子電池關(guān)鍵的內(nèi)在組件，其性能直接影響了整個(gè)電池的性能與穩(wěn)定運(yùn)行。水凝膠在室溫下具有良好的流動(dòng)性，保持優(yōu)異的水分控制能力，同時(shí)兼具彈性與強(qiáng)度，使其成為鋅離子電池電解質(zhì)的理想材料。良好性能的水凝膠可通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，如自交聯(lián)、氧化還原活化的增強(qiáng)、以及通過(guò)化學(xué)鍵合實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬離子的有效固定。自交聯(lián)水凝膠：基于聚乙烯亞胺（PEI）、甲基丙烯酸（MAA）或甲基丙烯酸羥甲基酯（HEMA）等單體，可通過(guò)加入雙甲基丙烯酸鹽（如N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺）來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。氧化還原活性的水凝膠：包含在水中可穩(wěn)定且可逆釋放過(guò)氧化氫的含氧化合物，如過(guò)氧甲基丙烯酸（PMA）或其氧雜苯衍生物，可提供額外的離子傳輸路徑和循環(huán)壽命?；瘜W(xué)功能化水凝膠：可以通過(guò)引入特定官能團(tuán)，如羧基、羥基或巰基，來(lái)成功接枝金屬離子捕捉位點(diǎn)。下面展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式，用以計(jì)算理論上的氧化還原活性水凝膠的離子電導(dǎo)率，這將有助于理解其對(duì)鋅離子電池性能提升的機(jī)制：假設(shè)電解質(zhì)膜的核殼結(jié)構(gòu)是由半徑為rc的導(dǎo)電中心和半徑為rm的外殼（介質(zhì)）組成，電極的表觀離子電導(dǎo)率σe將主要取決于導(dǎo)電中心的電導(dǎo)率σσ其中A=4πrc是導(dǎo)電中心的表面積，c為外殼中所含有機(jī)離子的濃度。通過(guò)調(diào)整rm結(jié)合上述分析，可得出結(jié)論，通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)水凝膠電解質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能，可以顯著提升鋅離子電池的電化學(xué)性能、放電速率以及電池壽命，進(jìn)而為制造高效、可靠的水凝膠電解質(zhì)提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。1.1.3提升鋅離子電池性能的必要性鋅離子電池（Zinc-ionBatteries,ZIBs）因其超高的理論放電容量（基于鋅的變換容量為819mAhg?1，高于鋰的372mAhg?1）、環(huán)境友好性（鋅資源豐富且無(wú)毒性）、操作電壓平臺(tái)平坦（約1.2-1.7Vvs.

SSE）以及較低的本征阻抗等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能技術(shù)的重要候選者之一。然而目前商業(yè)化應(yīng)用的鋅離子電池仍然面臨著諸如鋅溶解（Zn2?dissolution）、枝晶生長(zhǎng)（dendriteformation）、固體電解質(zhì)界面膜（SEI）不穩(wěn)定、循環(huán)穩(wěn)定性差以及倍率性能不高等一系列瓶頸問(wèn)題，極大地限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力和可行性。這些問(wèn)題不僅嚴(yán)重制約了鋅離子電池的商業(yè)化進(jìn)程，也使得其相較于鋰離子電池在能量密度、循環(huán)壽命和安全性等方面仍存在明顯差距。為了充分發(fā)揮鋅離子電池的巨大潛力，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，開發(fā)新型高性能的鋅離子電池系統(tǒng)成為當(dāng)前能源科學(xué)領(lǐng)域的迫切需求。而提升電池的整體性能，特別是能量密度、循環(huán)壽命、倍率性能和安全性，是其中的核心目標(biāo)。引入先進(jìn)的技術(shù)手段與材料設(shè)計(jì)，優(yōu)化電池的各個(gè)組成部分，特別是電解質(zhì)系統(tǒng)，是突破性能瓶頸、推動(dòng)鋅離子電池走向規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵途徑。因此研究和開發(fā)新型電解質(zhì)材料與制備工藝，并深入探究其對(duì)鋅離子電池電化學(xué)性能的強(qiáng)化機(jī)制，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前鋅離子電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。這些研究成果將直接關(guān)系到未來(lái)鋅離子電池能否在電動(dòng)汽車、大規(guī)模儲(chǔ)能、消費(fèi)電子等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。?【表】：典型鋅離子電池與其他類型鋰離子電池性能對(duì)比性能指標(biāo)鋅離子電池(典型)鋰離子電池(典型)理論容量(mAhg?1)819372電壓平臺(tái)(Vvs.

SSE)1.2-1.73.0-4.3突出優(yōu)點(diǎn)高容量、環(huán)境友好、安全性高能量密度高、循環(huán)壽命相對(duì)長(zhǎng)主要瓶頸溶解、枝晶、SEI膜不穩(wěn)定、循環(huán)壽命差成本高、資源有限、安全性問(wèn)題（熱失控）當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域部分消費(fèi)電子、儲(chǔ)能、醫(yī)療器械電動(dòng)汽車、便攜式設(shè)備、大規(guī)模儲(chǔ)能?【公式】：鋅離子電池能量密度簡(jiǎn)化計(jì)算公式E其中：-E是電池的能量密度(Whkg?1或VAhkg?1)-n是參與反應(yīng)的鋅摩爾數(shù)（對(duì)于水系體系，理論上為1mol）-F是法拉第常數(shù)(96485Cmol?1)-Ucat和U-η是電池效率該公式直觀地表明，提高電池的能量密度主要依賴于提升電極材料的理論容量、電壓窗口以及電池效率（包括減少副反應(yīng)和能量損失），這進(jìn)一步凸顯了材料科學(xué)和器件工程在提升電池性能中的核心作用。1.2研究目的與內(nèi)容本研究旨在系統(tǒng)地探究一種新型水凝膠電解質(zhì)的制備方法，并深入解析該電解質(zhì)應(yīng)用于鋅離子電池時(shí)對(duì)電池電化學(xué)性能的增強(qiáng)機(jī)制。具體而言，研究目的與內(nèi)容可細(xì)化為以下幾個(gè)方面：（1）水凝膠電解質(zhì)的制備工藝研究核心目標(biāo)：開發(fā)一種綠色、高效、可調(diào)控的水凝膠電解質(zhì)制備工藝。該工藝應(yīng)易于操作、成本低廉，并能有效控制水凝膠的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)（如孔徑分布、網(wǎng)絡(luò)孔隙率、離子導(dǎo)電率等）。研究?jī)?nèi)容：原材料篩選與優(yōu)化：選取合適的生物基或合成基單體、交聯(lián)劑、交聯(lián)引發(fā)劑等，并系統(tǒng)研究不同組分對(duì)水凝膠性能的影響。例如，考察不同類型單體（如PAMAM,PVP,PAA等）或共單體搭配、交聯(lián)密度等因素對(duì)水凝膠溶脹性能、離子傳輸電阻及力學(xué)穩(wěn)定性的綜合作用，建立組分-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。制備工藝開發(fā)與參數(shù)調(diào)控：重點(diǎn)研究原位聚合法或模板法等適合制備多孔、高離子電導(dǎo)水凝膠的工藝路線。通過(guò)調(diào)控反應(yīng)條件（如引發(fā)劑濃度、反應(yīng)溫度、pH值、溶劑體系等）和后續(xù)處理方法（如冷凍干燥、熱處理、造孔等），制備出具有特定結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的水凝膠電解質(zhì)薄膜。例如，通過(guò)公式定量描述交聯(lián)密度(Φ或v)對(duì)水凝膠滲透率（P）的關(guān)系，如Swifringe模型簡(jiǎn)化形式P≈結(jié)構(gòu)表征：利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、核磁共振（NMR）等手段，詳細(xì)表征水凝膠的形貌、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵合狀態(tài)、元素組成等。（2）水凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅離子電池性能的提升機(jī)制核心目標(biāo)：揭示所制備水凝膠電解質(zhì)在提升鋅離子電池放電容量、循環(huán)壽命、倍率性能和安全穩(wěn)定性方面的具體作用機(jī)制。研究?jī)?nèi)容：離子電導(dǎo)率提升機(jī)制：探究水凝膠獨(dú)特的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高比表面積以及豐富的親水基團(tuán)如何促進(jìn)了鋅離子（Zn2+）的快速嵌入/脫出和液態(tài)電解液的均勻滲透，降低離子擴(kuò)散路徑和傳輸電阻（IR）。可結(jié)合擴(kuò)散系數(shù)（D）的計(jì)算(鋅枝晶抑制機(jī)制：分析水凝膠基質(zhì)的緩沖、約束作用，以及可能存在的協(xié)同成膜效應(yīng)，探討其在穩(wěn)定鋅負(fù)極表面、抑制鋅枝晶成長(zhǎng)方面的機(jī)理。特別關(guān)注水凝膠與活性物質(zhì)/集流體界面的相互作用。循環(huán)壽命延長(zhǎng)機(jī)制：研究水凝膠在充放電循環(huán)過(guò)程中的形變量累加、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及對(duì)副反應(yīng)（如副反應(yīng)：H2安全性增強(qiáng)機(jī)制：評(píng)估水凝膠電解質(zhì)在避免或延緩可燃凝膠狀電解質(zhì)（GEL）的形成、降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)方面的能力，并分析其與separators的協(xié)同作用。電化學(xué)性能表征：通過(guò)循環(huán)伏安（CV）、恒電流充放電（CC）、電化學(xué)阻抗譜（EIS）、倍率性能測(cè)試、循環(huán)壽命測(cè)試等標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)方法，系統(tǒng)評(píng)價(jià)基于水凝膠電解質(zhì)的鋅離子電池的綜合性能，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相結(jié)合，驗(yàn)證提升機(jī)制的有效性。預(yù)期成果：本研究預(yù)期能夠建立一套高效穩(wěn)定的水凝膠電解質(zhì)制備技術(shù)規(guī)范，并提供一套清晰的關(guān)于水凝膠結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系及其對(duì)鋅離子電池電化學(xué)性能提升機(jī)理的理論框架，為下一代高性能、長(zhǎng)壽命、高安全性的鋅離子電池的研發(fā)提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。1.2.1研究目標(biāo)研究目標(biāo)：水凝膠電解質(zhì)的制備工藝優(yōu)化：建立高效、低成本及環(huán)境友好的水凝膠電解質(zhì)合成途徑。這需包括確立最優(yōu)原材料配比、確定最佳反應(yīng)條件、以及探索和選擇適當(dāng)?shù)牧骰商准夹g(shù)，以確保產(chǎn)品具有均勻的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的離子電導(dǎo)率。增強(qiáng)鋅離子電池性能：通過(guò)改進(jìn)水凝膠電解質(zhì)成分及其相結(jié)構(gòu)，旨在改善鋅離子電池的離子傳導(dǎo)性、電位窗口、循環(huán)穩(wěn)定性及能量密度。通過(guò)獨(dú)特的設(shè)計(jì)和精確的工藝調(diào)控，提升整體電池在充放電循環(huán)過(guò)程中的快速響應(yīng)能力和長(zhǎng)周期性能表現(xiàn)。研究機(jī)制探索：深入探討和闡明加入水凝膠電解質(zhì)后的鋅離子電池性能提升的具體機(jī)制。通過(guò)分析電解質(zhì)的離子傳輸特性、與金屬鋅反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)以及庫(kù)侖效率的增加等現(xiàn)象，提供理論依據(jù)，為水凝膠材料在電池工程領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證：將研究成果應(yīng)用于實(shí)際的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，評(píng)估其在不同溫度、荷載和充放電周期下的性能表現(xiàn)，進(jìn)而通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，驗(yàn)證所提方法增強(qiáng)電池效能的實(shí)際效果。通過(guò)上述四個(gè)主要目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，本研究旨在為開發(fā)具有廣闊應(yīng)用前景的水凝膠電解質(zhì)提出創(chuàng)新路徑，同時(shí)為優(yōu)化鋅離子電池性能提供科學(xué)依據(jù)和可行方案。1.2.2研究?jī)?nèi)容概述本研究的主要目標(biāo)是為鋅離子電池（ZIBs）開發(fā)一種高效、安全的新型水凝膠電解質(zhì)，并深入探究其制備工藝與電池性能提升之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究?jī)?nèi)容將圍繞以下幾個(gè)核心方面展開和細(xì)化：水凝膠電解質(zhì)制備工藝的系統(tǒng)研究：材料選擇與優(yōu)化：對(duì)構(gòu)成水凝膠骨架的高分子材料（如聚乙烯醇、聚丙烯酸、兩性聚電解質(zhì)等）和填充的鋅離子傳輸促進(jìn)劑（如鋰鹽、有機(jī)小分子、納米材料等）進(jìn)行篩選和性能評(píng)估。將通過(guò)調(diào)控材料種類、比例及其理化性質(zhì)，以尋求最佳的離子電導(dǎo)率、高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。制備方法探索與改進(jìn)：重點(diǎn)研究和比較多種水凝膠制備技術(shù)，例如冷凍干燥法、溶劑替換法、紫外（UV）光誘導(dǎo)聚合法、酶促聚合法等。結(jié)合響應(yīng)面法、正交實(shí)驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，優(yōu)化制備工藝參數(shù)（如溶劑體系、反應(yīng)溫度/時(shí)間、交聯(lián)度、pH值等），旨在獲得結(jié)構(gòu)均勻、離子通道發(fā)達(dá)、電化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的水凝膠材料。對(duì)于采用聚合方法制備的水凝膠，需特別關(guān)注交聯(lián)密度對(duì)其宏觀與微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。表征與結(jié)構(gòu)調(diào)控：利用一系列先進(jìn)的分析測(cè)試技術(shù)（如傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、核磁共振氫譜（1HNMR）、掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）等技術(shù)手段對(duì)水凝膠的結(jié)構(gòu)、組成和形貌進(jìn)行表征。通過(guò)調(diào)控制備工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如孔徑分布、孔喉尺寸、比表面積）和離子擴(kuò)散通道的可控設(shè)計(jì)。制備工藝對(duì)水凝膠電解質(zhì)性能的影響分析：結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系：重點(diǎn)關(guān)注制備工藝參數(shù)（尤其是交聯(lián)方式、填料分散狀態(tài)等）對(duì)水凝膠離子電導(dǎo)率（包含固體電導(dǎo)率和液體電導(dǎo)率）、力學(xué)性能、離子滲透性以及界面相容性的具體影響。將建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)聯(lián)模型，闡明不同制備工藝如何調(diào)控水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)及離子傳輸行為。規(guī)?；苽淇尚行裕撼醪皆u(píng)估所選制備工藝在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力，包括成本效益、操作復(fù)雜性、材料兼容性及環(huán)境影響等方面的考量，為后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。水凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅離子電池性能的提升機(jī)制：電化學(xué)性能表征：在組裝具有高活性鋅負(fù)極（如鋅粉、鋅氧化物）的水凝膠電解質(zhì)半電池和全電池后，系統(tǒng)研究其基本的電化學(xué)性能。這包括電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試以評(píng)估電荷轉(zhuǎn)移電阻和擴(kuò)散阻抗、循環(huán)伏安（CV）測(cè)試以揭示電極反應(yīng)的可逆性與動(dòng)力學(xué)特性、恒流充放電（GCD）測(cè)試以考察電池的能量密度、功率密度、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。提升機(jī)制的深入探討：基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，深入分析和闡明水凝膠電解質(zhì)如何具體提升鋅離子電池性能。主要探討以下機(jī)制：高離子電導(dǎo)率：優(yōu)良的離子電導(dǎo)率如何縮短放電時(shí)間、提高功率密度。優(yōu)化的離子傳輸動(dòng)力學(xué)：均勻且高濃度的離子傳輸通道如何加速鋅離子的嵌入/脫出速率。良好的形變適應(yīng)性：高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在充放電過(guò)程中的柔性如何緩沖體積變化，維持電池結(jié)構(gòu)的完整性。優(yōu)異的浸潤(rùn)性和電化學(xué)穩(wěn)定窗口：水凝膠如何有效浸潤(rùn)鋅負(fù)極，形成穩(wěn)定、低阻抗的界面，拓寬電解質(zhì)的電化學(xué)窗口，抑制副反應(yīng)。對(duì)鋅沉積行為的調(diào)控：探究水凝膠電解質(zhì)是否能夠抑制枝晶生長(zhǎng)，促進(jìn)鋅沉積的均勻性，形成更穩(wěn)定的SEI膜。形成的SEI膜性質(zhì)及其與水凝膠電解質(zhì)界面的相互作用。公式關(guān)聯(lián)：部分關(guān)鍵性能指標(biāo)可用公式表示，例如鋅離子擴(kuò)散系數(shù)D=4ACπ通過(guò)以上研究?jī)?nèi)容的系統(tǒng)探討，本研究旨在為高性能鋅離子電池水凝膠電解質(zhì)的開發(fā)提供理論依據(jù)、制備策略和技術(shù)支撐。2.文獻(xiàn)綜述水凝膠電解質(zhì)作為一種新型的固態(tài)電解質(zhì)，在鋅離子電池中的應(yīng)用已經(jīng)引起了廣泛的研究興趣。隨著對(duì)高效、安全儲(chǔ)能器件的需求日益增長(zhǎng)，鋅離子電池因其在高能量密度和安全性方面的優(yōu)勢(shì)而受到關(guān)注。以下是關(guān)于水凝膠電解質(zhì)制備工藝及其對(duì)鋅離子電池性能提升機(jī)制的文獻(xiàn)綜述。水凝膠電解質(zhì)的制備工藝水凝膠電解質(zhì)的制備通常涉及溶劑選擇、聚合物合成、此處省略劑的引入以及成型等步驟。近年來(lái)，研究者們致力于開發(fā)具有良好離子導(dǎo)電性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的水凝膠電解質(zhì)。常用的聚合物包括聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙二醇（PEG）等，而水和有機(jī)溶劑的混合體系則用于優(yōu)化離子傳輸和機(jī)械性能。此處省略劑的使用有助于調(diào)節(jié)水凝膠電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性和離子電導(dǎo)率。水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的應(yīng)用水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的應(yīng)用主要關(guān)注其界面性質(zhì)、離子傳輸行為以及對(duì)電池性能的影響。研究表明，水凝膠電解質(zhì)可以有效地提高鋅離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能和安全性。此外水凝膠電解質(zhì)的柔性特點(diǎn)使得電池在彎曲、扭曲等變形條件下仍能保持優(yōu)良的性能。水凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅離子電池性能的提升機(jī)制水凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅離子電池性能的提升主要?dú)w因于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。首先水凝膠電解質(zhì)具有良好的離子導(dǎo)電性，可以降低電池的內(nèi)阻，從而提高電池的倍率性能。其次水凝膠電解質(zhì)的柔性特點(diǎn)使得電極與電解質(zhì)之間的界面接觸更加緊密，減少了界面電阻，提高了電池的效率。此外水凝膠電解質(zhì)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)鋅離子的傳輸行為，抑制枝晶形成和鋅枝晶的生長(zhǎng)，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的應(yīng)用具有廣闊的前景，通過(guò)優(yōu)化制備工藝和調(diào)整電解質(zhì)組成，可以進(jìn)一步提高水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的性能表現(xiàn)。未來(lái)的研究將更多地關(guān)注水凝膠電解質(zhì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、安全性以及在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著鋅離子電池（ZIB）技術(shù)的不斷發(fā)展，其性能得到了顯著提升。在這一背景下，水凝膠電解質(zhì)作為一種新型的電解質(zhì)材料，受到了廣泛關(guān)注。水凝膠電解質(zhì)以其高比表面積、良好的導(dǎo)電性和較高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在鋅離子電池領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。（1）水凝膠電解質(zhì)的發(fā)展歷程水凝膠電解質(zhì)的研究始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)研究者們開始探索將聚合物與無(wú)機(jī)鹽結(jié)合，形成具有高導(dǎo)電性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，水凝膠電解質(zhì)已經(jīng)經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的聚合物鹽溶液到復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程。（2）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，水凝膠電解質(zhì)的研究主要集中在材料的合成、結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化等方面。例如，研究者們通過(guò)改變聚合物的種類、濃度和交聯(lián)方式等參數(shù)，調(diào)控水凝膠電解質(zhì)的孔徑、分布和導(dǎo)電性。此外國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)還在探索將水凝膠電解質(zhì)應(yīng)用于鋅離子電池的實(shí)際性能提升中。（3）國(guó)外研究現(xiàn)狀與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)外在水凝膠電解質(zhì)領(lǐng)域的研究起步較早，成果也更為豐富。例如，一些研究者通過(guò)引入功能性的納米材料（如石墨烯、氧化石墨烯等），進(jìn)一步提高了水凝膠電解質(zhì)的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)還關(guān)注于水凝膠電解質(zhì)與其他類型電池（如鋰離子電池、鈉離子電池等）的交叉應(yīng)用。（4）現(xiàn)有研究的不足與展望盡管國(guó)內(nèi)外在水凝膠電解質(zhì)領(lǐng)域取得了顯著的成果，但仍存在一些不足之處。例如，目前的水凝膠電解質(zhì)在導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和循環(huán)壽命等方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化。此外如何將水凝膠電解質(zhì)與其他功能材料相結(jié)合，以制備出具有更高性能的鋅離子電池，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。展望未來(lái)，隨著新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，水凝膠電解質(zhì)有望在鋅離子電池領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。通過(guò)深入研究其制備工藝和對(duì)鋅離子電池性能的提升機(jī)制，有望為鋅離子電池的發(fā)展提供新的思路和方向。2.1.1鋅離子電池技術(shù)進(jìn)展鋅離子電池（Zinc-ionbatteries,ZIBs）因其高理論容量（820mAhg?1）、豐富的鋅資源、低毒性及高安全性，被視為大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域極具潛力的電化學(xué)體系。近年來(lái)，隨著對(duì)儲(chǔ)能器件性能需求的不斷提升，ZIBs的研究取得了顯著進(jìn)展，其技術(shù)發(fā)展主要集中在電極材料、電解質(zhì)體系及界面優(yōu)化等方面。?電極材料的創(chuàng)新傳統(tǒng)鋅離子電池采用金屬鋅箔作為負(fù)極，但在循環(huán)過(guò)程中易發(fā)生枝晶生長(zhǎng)、腐蝕及副反應(yīng)等問(wèn)題，導(dǎo)致庫(kù)倫效率降低和循環(huán)壽命縮短。為解決上述問(wèn)題，研究者開發(fā)了多種改性鋅負(fù)極材料，如多孔鋅、鋅合金（如Zn-Mg、Zn-Al）及三維集流體結(jié)構(gòu)（如泡沫銅負(fù)載鋅），通過(guò)調(diào)控鋅的沉積/溶解行為，顯著提升了電極的穩(wěn)定性。正極材料方面，層狀氧化物（如V?O?、MnO?）、普魯士藍(lán)類似物（PBAs）及有機(jī)聚合物材料因具備合適的層間距或氧化還原活性位點(diǎn)，成為鋅離子存儲(chǔ)的理想載體。例如，層狀MnO?通過(guò)嵌入/脫出Zn2?可實(shí)現(xiàn)約308mAhg?1的可逆比容量，但其循環(huán)穩(wěn)定性仍受結(jié)構(gòu)相變制約。?電解質(zhì)體系的優(yōu)化電解質(zhì)作為離子傳輸?shù)慕橘|(zhì)，其性能直接影響ZIBs的倍率能力、安全性和循環(huán)壽命。傳統(tǒng)水系電解質(zhì)（如ZnSO?、Zn(NO?)?溶液）雖具有高離子電導(dǎo)率（~10?2Scm?1），但存在析氫反應(yīng)（HER）、鋅枝晶穿刺及水分子副反應(yīng)等問(wèn)題。為提升電解質(zhì)性能，研究者通過(guò)此處省略緩蝕劑（如氟化物、有機(jī)小分子）、優(yōu)化濃度（如“water-in-salt”電解質(zhì)）或引入凝膠網(wǎng)絡(luò)等方式抑制副反應(yīng)。其中水凝膠電解質(zhì)因兼具高離子電導(dǎo)率、優(yōu)異的機(jī)械柔性及界面穩(wěn)定性，成為近年研究熱點(diǎn)。其三維親水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效固定液態(tài)電解質(zhì)，同時(shí)通過(guò)氫鍵作用抑制鋅枝晶生長(zhǎng)，顯著提升電池的安全性。?界面工程與反應(yīng)機(jī)制鋅負(fù)極/電解液界面的不穩(wěn)定性是限制ZIBs性能的關(guān)鍵因素。原位表征技術(shù)（如同步輻射X射線衍射、電化學(xué)石英晶體微天平）揭示了鋅枝晶的生長(zhǎng)機(jī)制及界面副反應(yīng)路徑。通過(guò)構(gòu)建人工SEI膜（如ZnF?、ZnS保護(hù)層）或設(shè)計(jì)凝膠電解質(zhì)/電極界面適配層，可引導(dǎo)均勻的鋅沉積行為。此外電解質(zhì)中Zn2?的溶劑化結(jié)構(gòu)調(diào)控（如去溶劑化效應(yīng)）對(duì)降低反應(yīng)能壘、提升離子擴(kuò)散速率至關(guān)重要。?性能對(duì)比與挑戰(zhàn)【表】總結(jié)了不同類型鋅離子電池體系的性能特點(diǎn)。盡管ZIBs在能量密度和循環(huán)壽命方面已取得顯著提升，但仍面臨以下挑戰(zhàn)：正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足：層狀材料在循環(huán)中易發(fā)生層間距塌陷或相變；電解質(zhì)兼容性有限：高濃度電解質(zhì)雖抑制副反應(yīng)，但粘度增加導(dǎo)致離子遷移率下降；鋅負(fù)極界面復(fù)雜性：動(dòng)態(tài)SEI膜的形成與演化機(jī)制尚不明確。未來(lái)研究需聚焦于多功能電解質(zhì)設(shè)計(jì)、電極/電解質(zhì)界面協(xié)同優(yōu)化及新型儲(chǔ)能機(jī)理探索，以推動(dòng)ZIBs的實(shí)用化進(jìn)程。?【表】鋅離子電池不同體系性能對(duì)比體系類型電導(dǎo)率(Scm?1)比容量(mAhg?1)循環(huán)壽命(圈)主要優(yōu)勢(shì)局限性傳統(tǒng)水系電解質(zhì)10?2–10?1200–300<500高離子電導(dǎo)率枝晶生長(zhǎng)、副反應(yīng)嚴(yán)重高濃度電解質(zhì)10?3–10?2250–350500–1000抑制HER、提升穩(wěn)定性粘度高、成本增加水凝膠電解質(zhì)10?3–10?2280–380>1000柔性、安全性高機(jī)械強(qiáng)度需進(jìn)一步優(yōu)化通過(guò)上述技術(shù)進(jìn)展的綜合分析，鋅離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，而水凝膠電解質(zhì)作為關(guān)鍵組成部分，其制備工藝的優(yōu)化將對(duì)電池性能提升起到?jīng)Q定性作用。2.1.2水凝膠電解質(zhì)的研究進(jìn)展近年來(lái)，隨著對(duì)高性能電池材料的需求日益增長(zhǎng)，水凝膠電解質(zhì)因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的應(yīng)用研究取得了顯著進(jìn)展，為提高電池性能提供了新的思路和方法。首先研究人員通過(guò)改進(jìn)水凝膠的制備工藝，實(shí)現(xiàn)了電解質(zhì)的均勻分布和良好的離子傳導(dǎo)性能。例如，采用納米技術(shù)制備的水凝膠具有更高的比表面積和孔隙率，有利于離子的快速傳輸和擴(kuò)散。此外通過(guò)調(diào)整水凝膠的交聯(lián)密度和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步優(yōu)化電解質(zhì)的性能。其次研究人員對(duì)水凝膠電解質(zhì)的電化學(xué)性能進(jìn)行了深入研究，通過(guò)引入導(dǎo)電此處省略劑、表面活性劑等物質(zhì)，可以改善水凝膠電解質(zhì)的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性。同時(shí)通過(guò)調(diào)整電解質(zhì)的pH值和溫度條件，可以優(yōu)化電解質(zhì)的電化學(xué)窗口和循環(huán)穩(wěn)定性。此外研究人員還關(guān)注了水凝膠電解質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和安全性問(wèn)題。通過(guò)采用合適的封裝技術(shù)和涂層方法，可以減少電解質(zhì)與電極之間的接觸阻抗和腐蝕現(xiàn)象。此外通過(guò)研究電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能，可以進(jìn)一步提高電池的使用壽命和可靠性。水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的應(yīng)用研究取得了顯著進(jìn)展，為提高電池性能提供了新的思路和方法。未來(lái)，隨著研究的深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，水凝膠電解質(zhì)有望在鋅離子電池領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。2.2存在問(wèn)題與挑戰(zhàn)盡管水凝膠基電解質(zhì)在提升鋅離子電池性能方面展現(xiàn)出顯著潛力，但其規(guī)?；苽渑c應(yīng)用仍面臨一系列難題和亟待解決的問(wèn)題。（1）制備工藝的優(yōu)化與控制交聯(lián)密度與結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)控困難：水凝膠的力學(xué)性能、離子傳導(dǎo)率和穩(wěn)定性與其交聯(lián)密度密切相關(guān)。然而精確調(diào)控交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)（如孔徑分布、網(wǎng)絡(luò)鏈段柔韌性）以及在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)均勻的交聯(lián)依然充滿挑戰(zhàn)，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)工藝中難以控制。前驅(qū)體選擇與綠色化問(wèn)題：許多常用的交聯(lián)Agent（如N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺）可能具有一定毒性或環(huán)境友好性差的問(wèn)題。尋找高效、安全、環(huán)保且成本可控的新型生物基或可再生交聯(lián)劑，并優(yōu)化反應(yīng)條件（如溶劑體系、引發(fā)劑體系），是推動(dòng)水凝膠電解質(zhì)綠色可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。（2）性能瓶頸與內(nèi)在局限性離子擴(kuò)散與傳質(zhì)效率的限制：盡管水凝膠提供了高靈活性和良好的電解液浸潤(rùn)性，但離子（特別是鋅離子Zn2?）在其網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散可能受到一定的限制，尤其是在快速充放電狀態(tài)下，這與固體電解質(zhì)中的離子遷移率仍有差距。這可能導(dǎo)致電池的倍率性能不高和一定的容量衰減?！颈怼浚翰煌愋退z電解質(zhì)的理論與實(shí)用離子電導(dǎo)率對(duì)比（模擬數(shù)據(jù)）水凝膠類型理論離子電導(dǎo)率(S/cm,實(shí)驗(yàn)室最優(yōu))實(shí)用離子電導(dǎo)率(S/cm,實(shí)際應(yīng)用中)主要限制因素陽(yáng)離子交換型10?3-10??10?3-10?2固體電解質(zhì)限制、過(guò)量水兩性離子型10?3-10?210?2-10?1結(jié)構(gòu)/離子氛效應(yīng)混合離子型/單一離子型10?2-10?110?1-10?離子選擇性循環(huán)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)：在鋅離子電池的長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中，水凝膠電解質(zhì)可能面臨體積膨脹/收縮引起的結(jié)構(gòu)破壞、鋅枝晶的形成與刺穿、以及電解液成分的揮發(fā)或副反應(yīng)消耗等問(wèn)題，這嚴(yán)重影響了其循環(huán)壽命。特別是對(duì)于基于鋅離子液體的水凝膠（如Zn-ILs@PG），其電化學(xué)窗口相對(duì)較窄，也限制了電池工作電壓。界面兼容性問(wèn)題：水凝膠電解質(zhì)與鋅電極材料之間的電化學(xué)相容性及界面穩(wěn)定性問(wèn)題是阻礙其發(fā)展的另一大難題。鋅負(fù)極在循環(huán)過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積變化，容易導(dǎo)致與水凝膠界面的脫粘，進(jìn)而引發(fā)電池性能的急劇惡化。建立高效穩(wěn)定的界面層是提升循環(huán)壽命的關(guān)鍵。（3）大規(guī)模制備與成本控制可擴(kuò)展性不足：目前大多數(shù)水凝膠電解質(zhì)的制備方法仍偏向?qū)嶒?yàn)室研究階段，缺乏低成本、高效率和易于工業(yè)規(guī)模轉(zhuǎn)化的工藝。如何開發(fā)出適合大規(guī)模、連續(xù)化生產(chǎn)的制備技術(shù)，是走向?qū)嶋H應(yīng)用亟待解決的核心問(wèn)題。成本效益分析：與傳統(tǒng)液體電解質(zhì)相比，水凝膠電解質(zhì)在材料成本、封裝工藝以及潛在的安全優(yōu)勢(shì)等方面尚需進(jìn)行全面的成本效益評(píng)估。部分高性能材料或復(fù)雜的制備工藝可能會(huì)增加成本，影響其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?？朔鲜鰡?wèn)題與挑戰(zhàn)，需要跨學(xué)科的努力，不斷優(yōu)化制備工藝，深入理解結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，并開發(fā)出兼具優(yōu)異電化學(xué)性能、高倍率性能、長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性和成本效益的水凝膠電解質(zhì)材料體系，從而為下一代高安全、高性能鋅離子電池的研發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2.2.1現(xiàn)有技術(shù)的不足盡管水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但現(xiàn)有的制備工藝和方法仍存在若干局限性，這些不足之處在一定程度上制約了其性能的進(jìn)一步提升和應(yīng)用拓展。主要可歸納為以下幾個(gè)方面：（1）電導(dǎo)率與離子遷移速率的矛盾目前的水凝膠電解質(zhì)在提升離子傳輸能力（如鋅離子）方面，往往面臨電導(dǎo)率（σ）與高鋅離子水合半徑（rZn2+≈0.74?）之間的性能均衡難題。水凝膠基質(zhì)的高分子鏈具有較高的體積阻礙效應(yīng)，限制了離子的快速遷移，導(dǎo)致對(duì)其進(jìn)行電導(dǎo)率的改善提升較為有限。根據(jù)電解質(zhì)電導(dǎo)率的公式：σ=(nAe2/λo)κ其中n代表電荷載流子濃度，A為電極與電解質(zhì)的接觸面積，e為電子電荷，λo為平均離子的遷移數(shù)，κ為電導(dǎo)率?，F(xiàn)有水凝膠電解質(zhì)通常通過(guò)引入大量親水基團(tuán)提高離子電解質(zhì)基體體積，但這往往伴隨著電導(dǎo)率的下降?，F(xiàn)有研究中的典型水凝膠電解質(zhì)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)如【表】所示：?【表】典型水凝膠電解質(zhì)的電導(dǎo)率比較材料電導(dǎo)率(mS/cm)參考文獻(xiàn)PVP/H2O1.5-3.0[1]PAMAM/H2O2.0-4.5[2]聚丙烯酸/ZnCl24.0-6.5[3]從表中數(shù)據(jù)可見，相較于傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)（>10mS/cm），水凝膠電解質(zhì)電導(dǎo)率仍有較大提升空間。（2）充電循環(huán)中的體積膨脹與收縮限制水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池的充放電過(guò)程中，鋅離子發(fā)生嵌入/脫出反應(yīng)伴隨著顯著的體積變化（ΔV）。根據(jù)理論計(jì)算，鋅在含水凝膠基體中的膨脹率可高達(dá)20-30%[4]，這使得在高倍率或長(zhǎng)循環(huán)條件下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)易發(fā)生溶脹/收縮不匹配，導(dǎo)致力學(xué)性能急劇惡化，表現(xiàn)為如下：電解質(zhì)與電極界面處的電接觸不穩(wěn)定，增加內(nèi)阻和界面電阻；水凝膠基體結(jié)構(gòu)破壞，引發(fā)微裂紋和孔隙，破壞電化學(xué)通路；形態(tài)穩(wěn)定性下降，影響電池的整體循環(huán)壽命（通常水凝膠基體的循環(huán)穩(wěn)定性<100次）。（3）缺乏有效的自修復(fù)機(jī)制現(xiàn)有的市售或?qū)嶒?yàn)室制備的水凝膠電解質(zhì)，在受到物理?yè)p傷（如穿刺、彎折）化學(xué)侵蝕（有機(jī)溶劑接觸）后，很少具備自修復(fù)能力。這主要源于水凝膠的基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)缺乏動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，而鋅離子電池在實(shí)際應(yīng)用中不可避免地遭遇外部應(yīng)力，導(dǎo)致性能衰減。以常見的天然基體海藻酸鈉（NaAlg）水凝膠為例，其結(jié)構(gòu)完整性在經(jīng)歷3次破壞后性能銳減近80%。如內(nèi)容所示為結(jié)構(gòu)損傷與電化學(xué)性能的關(guān)系示意內(nèi)容（文字描述）：?內(nèi)容水凝膠電解質(zhì)結(jié)構(gòu)破損對(duì)電池性能的影響模式（4）穩(wěn)定性不足與成本問(wèn)題目前主流的水凝膠電解質(zhì)多采用交聯(lián)度高、親水性強(qiáng)的合成聚合物（如聚乙烯醇、聚丙烯酸），這些材料存在一定的生物相容性與環(huán)境保護(hù)隱患。此外兩端羥基的交聯(lián)過(guò)程通常依賴有毒的離子凝膠化劑（如Ca2+、Zn2+），其生產(chǎn)成本高且存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)估算，高性能水凝膠電解質(zhì)的生產(chǎn)成本可達(dá)液態(tài)電解質(zhì)的4倍以上。綜上，現(xiàn)有水凝膠電解質(zhì)在離子傳感特異性、結(jié)構(gòu)Resizable性、界面穩(wěn)定性以及環(huán)境友好性方面存在共性技術(shù)瓶頸，亟需通過(guò)材料改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新等手段加以突破。2.2.2面臨的主要問(wèn)題在現(xiàn)有水凝膠電解質(zhì)體系的發(fā)展中，仍然存在一些迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，這些問(wèn)題的存在嚴(yán)重限制了其在水凝膠電解質(zhì)領(lǐng)域的研究突破和實(shí)際應(yīng)用。首先由于水凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其對(duì)離子的傳輸路徑具有較大的限制，離子躍遷困難和電荷載流子遷移率低下，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率不足，進(jìn)而導(dǎo)致電池性能較低。改善這一點(diǎn)涉及到尋找適合的水凝膠成分、調(diào)整交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及強(qiáng)化電解質(zhì)分子間的相互作用，這些都是當(dāng)前應(yīng)當(dāng)著手解決的難題。其次水凝膠電解質(zhì)的穩(wěn)定性問(wèn)題依然突出，在電解質(zhì)或水分子長(zhǎng)期暴露在空氣中時(shí)，容易發(fā)生水化和親水性變化，形成凝膠。這種情況下，電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率下降，循環(huán)壽命縮短。解決此問(wèn)題的關(guān)鍵在于提高水凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。效率與容量衰退也是制約水凝膠電解質(zhì)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題，高熱穩(wěn)定性是水凝膠電解質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性維持的關(guān)鍵，而溫度升高會(huì)助長(zhǎng)鋅離子還原物析出和電解質(zhì)分解，這導(dǎo)致電池內(nèi)部的副反應(yīng)增多。為了提升這些性能，需要開發(fā)新型的抗熱解組成與結(jié)構(gòu)。另一個(gè)重要問(wèn)題是水分子在電池中的遷移，容易導(dǎo)致電池內(nèi)部的短路與腐蝕，從而減少電池壽命。要解決這一問(wèn)題，需要開發(fā)高含水量的水凝膠電解質(zhì)，同時(shí)采取措施阻止水分子在外電壓和溫度波動(dòng)等環(huán)境因素影響下擴(kuò)散和電化學(xué)反應(yīng)。此外水凝膠電解質(zhì)在高能量密度應(yīng)用場(chǎng)景中的適應(yīng)度也直接影響其應(yīng)用前景。例如，在高倍率充放電條件下，保持穩(wěn)定電解質(zhì)與鋅界面是提升電池能量密度的重要因素。最后環(huán)保和生態(tài)友好型水凝膠材料的設(shè)計(jì)和制備也是行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。鑒于全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的關(guān)注度日益增加，電解質(zhì)的綠色制備和消耗是今后電池領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考量的問(wèn)題。下表展示了幾類面臨問(wèn)題的可能解決對(duì)策：主要問(wèn)題解決對(duì)策離子電導(dǎo)率不足優(yōu)化水凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、提高交聯(lián)劑含量、選擇高電導(dǎo)率的此處省略劑、優(yōu)化平衡電化學(xué)性能的水凝膠體系。電化學(xué)穩(wěn)定性差增加電解質(zhì)的絡(luò)合能力、增強(qiáng)水凝膠化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、使用多功能分子控制水凝膠支撐基體材料的多孔性和物理化學(xué)性質(zhì)以優(yōu)化電池弗雷德末效應(yīng)。溫度適應(yīng)性差采用高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑、強(qiáng)化電解質(zhì)分子間的相互作用、增加有機(jī)元素含量以強(qiáng)化電解質(zhì)一直防護(hù)體系。水分泄漏心頭強(qiáng)化電解質(zhì)外側(cè)與隔膜的結(jié)合性、控制電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用低釋放材料，以確保水凝膠電解質(zhì)體系長(zhǎng)時(shí)間保持良好可控的電解質(zhì)平衡狀態(tài)。通過(guò)這些努力綜合改善水分，解決上述提到的挑戰(zhàn)，可在電解質(zhì)制備工藝與提升電池性能之間建立更加牢固的聯(lián)系，從而推動(dòng)水凝膠電解質(zhì)的應(yīng)用研究進(jìn)一步深入。3.理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)方法水凝膠電解質(zhì)的制備與應(yīng)用涉及多學(xué)科的交叉知識(shí)，其理論基礎(chǔ)主要涵蓋材料化學(xué)、電化學(xué)和凝膠理論等領(lǐng)域。水凝膠作為一種具有高度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，能夠容納大量電解質(zhì)溶液，從而在鋅離子電池中展現(xiàn)出優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鋅離子在電解質(zhì)中的遷移過(guò)程主要依賴于電遷移和擴(kuò)散機(jī)制，而水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)和高滲透性為離子的快速傳輸提供了理想通道。在實(shí)驗(yàn)方法方面，水凝膠電解質(zhì)的制備通常采用以下幾種技術(shù)路線：1）原位合成法：此方法通過(guò)在預(yù)定區(qū)域內(nèi)引發(fā)聚合反應(yīng)，直接在鋅負(fù)極表面形成均勻的水凝膠層。該方法的關(guān)鍵在于選擇合適的單體和交聯(lián)劑，以及精確控制反應(yīng)條件（溫度、pH值、引發(fā)劑濃度等）。例如，使用2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸（AMPS）和N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）作為單體和交聯(lián)劑，在硝酸銀（AgNO?）催化下進(jìn)行自由基聚合，可制備出具有良好離子導(dǎo)電性的磺酸基水凝膠。2）浸漬-干燥法：該方法將預(yù)先合成的水凝膠浸泡在電解液中，再通過(guò)干燥工藝固定其形貌和組成。此方法操作簡(jiǎn)便，但水凝膠與電極表面的結(jié)合力相對(duì)較弱，可能存在界面接觸不良的問(wèn)題。3）Layer-by-Layer（LbL）自組裝法：LbL技術(shù)通過(guò)交替沉積帶正負(fù)電荷的聚電解質(zhì)和納米材料層，逐級(jí)構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)。通過(guò)精確控制沉積層數(shù)和納米粒子種類（如石墨烯、CNTs等），可顯著提升水凝膠的離子傳導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度?！颈怼苛谐隽瞬煌苽浞椒ǖ奶攸c(diǎn)和適用場(chǎng)景：制備方法主要優(yōu)勢(shì)局限性適用場(chǎng)景原位合成一體成型性好，界面結(jié)合力強(qiáng)反應(yīng)條件要求高，可能引入額外雜質(zhì)高性能鋅離子電池浸漬-干燥操作簡(jiǎn)單，成本較低結(jié)合力弱，易脫落低要求電池LbL自組裝精度高，可調(diào)控性強(qiáng)工序繁瑣，成本較高高性能特種電池水凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅離子電池性能的提升主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先離子傳導(dǎo)性能的提升：水凝膠的高含水量（通?？蛇_(dá)90%以上）為鋅離子提供了豐富的遷移通道，其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低了離子擴(kuò)散的活化能，如內(nèi)容所示的鋅離子在硫酸鹽型水凝膠中的遷移路徑示意內(nèi)容。假設(shè)水凝膠電解質(zhì)的電導(dǎo)率ε與水合離子的遷移數(shù)t、水的電導(dǎo)率Λ?和孔隙率Φ之間存在如下關(guān)系：ε其次結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增強(qiáng)：水凝膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能抵抗重復(fù)充放電過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力，防止電解液泄露和電極材料粉化。當(dāng)鋅離子嵌入/脫出時(shí)，水凝膠的膨脹/收縮行為被其彈性行為緩沖，從而延長(zhǎng)了電池的循環(huán)壽命。電化學(xué)窗口的拓寬：通過(guò)在水凝膠中摻雜高電化學(xué)活性的離子（如TFSI?、ClO??等），可以顯著提升電解質(zhì)的穩(wěn)定性，將可逆電壓窗口從傳統(tǒng)的1.5–2.5V擴(kuò)展至3–4V（對(duì)于有機(jī)系電解液），為高能量密度鋅系電池提供了新的可能性。在實(shí)驗(yàn)研究中，研究者通常采用恒電流充放電測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜（EIS）、循環(huán)伏安（CV）和X射線衍射（XRD）等手段評(píng)價(jià)水凝膠電解質(zhì)的性能。EIS測(cè)試可以揭示電解質(zhì)的阻抗特征，通過(guò)擬合阻抗數(shù)據(jù)可獲得電荷轉(zhuǎn)移電阻和擴(kuò)散阻抗的變化規(guī)律；CV測(cè)試則能反映鋅離子的動(dòng)力學(xué)行為，通過(guò)計(jì)算半波電位和峰面積可以評(píng)估電池的容量和倍率性能。3.1水凝膠電解質(zhì)的理論基礎(chǔ)水凝膠電解質(zhì)是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物材料，其內(nèi)部富含親水性基團(tuán)，能夠吸收并容納大量溶劑分子。這類電解質(zhì)在鋅離子電池中的應(yīng)用逐漸引起廣泛關(guān)注，主要是因?yàn)槠洫?dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)能夠顯著改善電池性能。水凝膠電解質(zhì)的理論基礎(chǔ)主要涉及其結(jié)構(gòu)特性、離子傳輸機(jī)制、溶脹行為以及阻抗匹配等方面。理解這些基礎(chǔ)原理有助于優(yōu)化水凝膠電解質(zhì)的制備工藝，并解釋其對(duì)鋅離子電池性能提升的具體機(jī)制。（1）水凝膠的結(jié)構(gòu)與溶脹特性水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定了其離子傳輸能力和離子儲(chǔ)存容量，常見的合成方法包括交聯(lián)聚合物鏈（如聚乙烯醇、聚丙烯腈或殼聚糖）或基于天然多糖（如海藻酸鈉、透明質(zhì)酸）的交聯(lián)體系。交聯(lián)劑（如戊二醛或N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺）引入化學(xué)鍵，形成穩(wěn)定的孔道結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持高孔隙率以利于溶劑和離子的滲透。水凝膠的溶脹行為可以通過(guò)以下公式描述：Q其中Q為溶脹度（單位體積凝膠吸收的溶劑體積），Vgel為凝膠體積，Vs為吸收的溶劑體積，mgel水凝膠類型交聯(lián)劑主鏈材料孔隙率(%)溶脹度(g/g)聚乙烯醇戊二醛PVA60-8050-200殼聚糖偏磷酸CS70-90100-300海藻酸鈉己二酸SA50-7080-250（2）離子傳輸機(jī)制鋅離子（Zn2?）的傳輸主要通過(guò)以下兩種機(jī)制：離子跳躍機(jī)制（IonJumping）：Zn2?在水凝膠的網(wǎng)絡(luò)孔道中隨機(jī)擴(kuò)散，受限于凝膠骨架的勢(shì)壘。電導(dǎo)率σ可由以下公式表征：σ其中Λ為電導(dǎo)率數(shù)，n為遷移離子數(shù)，A為截面積，l為離子遷移路徑長(zhǎng)度。溶劑化離子機(jī)制（Solvation）：Zn2?與溶劑分子（如水）形成配位層，遷移時(shí)需克服溶劑化殼的解離能。水凝膠中的高水分含量有利于溶劑化離子的形成，但可能增加遷移勢(shì)壘。（3）阻抗匹配與循環(huán)穩(wěn)定性水凝膠電解質(zhì)的理論阻抗主要源于凝膠網(wǎng)絡(luò)對(duì)外界的電阻（Rgel）和離子電遷移阻抗（RRMerch//\Rgel/\\Ccap/———--—//————-

Rion`/————–/其中Rmerch為界面電阻，Ccap為雙電層電容。水凝膠的高離子電導(dǎo)率（通常為綜上所述水凝膠電解質(zhì)的理論基礎(chǔ)涵蓋其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、離子傳輸特性以及循環(huán)穩(wěn)定性。這些原理指導(dǎo)了其制備工藝的優(yōu)化，并解釋了其在提升鋅離子電池性能中的核心作用。3.1.1水凝膠的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)水凝膠（Hydrogel）是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子材料，其分子鏈或網(wǎng)絡(luò)骨架中高度浸漬或含水量可達(dá)90%以上。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了水凝膠一系列鮮明的物理化學(xué)特性，使其在眾多領(lǐng)域，特別是作為鋅離子電池（ZIBs）電解質(zhì)載體時(shí)，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由多糖、蛋白質(zhì)、合成聚合物（如聚乙烯醇PVA、聚丙烯酸鹽PAA、聚丙烯腈PAN等）或其共聚物構(gòu)成，通過(guò)化學(xué)鍵合（如離子鍵、氫鍵、共價(jià)鍵）或物理交聯(lián)（如范德華力、靜電相互作用、微相分離）形成。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多樣性直接決定了水凝膠的基本性質(zhì)，如【表】所示，不同類型的水凝膠在溶脹度、離子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性等方面存在顯著差異?！颈怼坎煌愋退z的基本性質(zhì)比較（示例）水凝膠類型(HydrogelType)網(wǎng)絡(luò)材料(NetworkMaterial)溶脹度(SwellingRatio,%/g)離子電導(dǎo)率(IonicConductivity,mS/cm)機(jī)械強(qiáng)度(MechanicalStrength)化學(xué)穩(wěn)定性(ChemicalStability)PVA水凝膠聚乙烯醇(PVA)高(e.g,>200)中等到高(e.g,10-50)較低中等PAA-K水凝膠聚丙烯酸鈉(PAA-K)非常高(e.g,>1000)高(e.g,>100)低良好交聯(lián)PAN水凝膠聚丙烯腈(PAN)中等(e.g,50-300)中等(e.g,5-50)較高良好聚乙二醇化PCL水凝膠聚己內(nèi)酯(PCL)較高(e.g,100-500)中等(e.g,20-80)高良好水凝膠的核心性質(zhì)通?？梢员硎緸橐韵聨讉€(gè)關(guān)鍵參數(shù)：溶脹性能（SwellingProperty）:水凝膠吸收并保持水分的能力是其基本屬性。溶脹度是指水凝膠在特定溶劑中達(dá)到平衡時(shí)，其重量增量與初始干重之比。溶脹度的大小受網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度、化學(xué)性質(zhì)（如親水性/疏水性）、環(huán)境條件（溫度、pH值）以及溶劑種類等因素的調(diào)控。較高的溶脹度通常意味著更大的電解質(zhì)存儲(chǔ)空間，有利于離子在電池工作過(guò)程中的傳輸。其基本概念可以用以下簡(jiǎn)化公式描述：溶脹度其中mwet是水凝膠浸漬溶劑后的濕重，m離子電導(dǎo)率（IonicConductivity,σ）:這是衡量電解質(zhì)導(dǎo)電能力的直接指標(biāo)，對(duì)于電池的倍率性能和動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。水凝膠的離子電導(dǎo)率主要來(lái)源于溶解在水凝膠網(wǎng)絡(luò)孔隙中的離子（如Li?,Zn2?,Cl?等）以及網(wǎng)絡(luò)位點(diǎn)上的離子izable基團(tuán)。其表達(dá)式為：σ3.1.2電解質(zhì)在電池中的作用機(jī)理在鋅離子電池（ZIBs）中，電解質(zhì)不僅扮演著至關(guān)重要的角色，而且其化學(xué)特性和物理性能直接影響電池的性能表現(xiàn)。首先電解質(zhì)需要保證電化學(xué)窗能夠覆蓋鋅的還原電位和潛在的副反應(yīng)電位，以維持電池在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中的穩(wěn)定性。此外電解質(zhì)的粘度、離子傳輸速率、溶劑化殼結(jié)構(gòu)，以及金屬離子親和性等因素，對(duì)于提高電池循環(huán)壽命、速率性能和庫(kù)侖效率等指標(biāo)有著重要影響。電解質(zhì)在電池中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：離子導(dǎo)電性：電解質(zhì)須具備良好的離子導(dǎo)電性，以確保鋅離子的有效遷移，從而促進(jìn)電荷傳遞。導(dǎo)電性的改善可提升電池的充放電流，加速電池的動(dòng)力響應(yīng)，并提高能量密度。穩(wěn)定性：電解質(zhì)必須具備適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，能夠抵抗鋅金屬及副反應(yīng)的產(chǎn)生，防止活性物質(zhì)自放電，進(jìn)而提升電池的循環(huán)壽命與安全性。粘度：電解質(zhì)的粘度控制是維持電池中有效離子遷移的關(guān)鍵因素。降低粘度可增強(qiáng)電池的輸出速率，但粘度過(guò)低可能引起電解液泄漏，而過(guò)高則限制離子遷移速率，導(dǎo)致電池效率下降。溶劑化殼形態(tài)與金屬離子親和性：電解質(zhì)的溶劑化殼形態(tài)以及其對(duì)金屬離子的結(jié)合特性，影響著鋅離子的固液界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而關(guān)系到電池的倍率特性和長(zhǎng)周期穩(wěn)定性。優(yōu)化這些特性可增進(jìn)鋅離子的沉積/溶解穩(wěn)固性和均勻性，防止枝晶生長(zhǎng)與體積膨脹。界面阻抗：電解質(zhì)與電極、隔膜之間的相互作用及界面阻抗，對(duì)電池整體性能亦產(chǎn)生顯著影響。低界面阻抗有助于提升電池的功率輸出，間接支持電池高功率應(yīng)用場(chǎng)景。因此選擇適當(dāng)組分和比例的電解質(zhì)，可靠地調(diào)控包括內(nèi)阻、酸堿平衡、粘度系數(shù)等相關(guān)指標(biāo)，可以有效增強(qiáng)ZIBs的離子交換效率和應(yīng)用廣泛的性能，這些在電解質(zhì)的優(yōu)化組合中需逐步提升其作用效果。開發(fā)高效的電解質(zhì)體系，或者通過(guò)改進(jìn)材料的表面處理、厚度、孔隙度等手段，均是提升ZIBs容量與循環(huán)次數(shù)的重要手段。為使得近年來(lái)新出現(xiàn)的ZIBs在技術(shù)成熟度上趨近于及甚至超越現(xiàn)代鋰離子電池（LIBs），電解質(zhì)的組成與性能優(yōu)化仍是核心挑戰(zhàn)之一。在電解質(zhì)制備過(guò)程中，需充分考量制備工藝，例如溫度、速率、混合均勻性、陳化時(shí)間等條件的選擇和優(yōu)化，在這些因素中尋求平衡，以便最大化電解質(zhì)的功能特征。當(dāng)前的電解質(zhì)設(shè)計(jì)往往集中在儲(chǔ)運(yùn)循環(huán)性及影晌因素上，進(jìn)一步在反應(yīng)機(jī)制和電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化層面展開深入探索，將為ZIBs革新尋求新驅(qū)動(dòng)力。3.2實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)研究水凝膠電解質(zhì)的制備工藝及其對(duì)鋅離子電池性能的影響，所需實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備主要由兩部分構(gòu)成：材料和設(shè)備。材料的選用直接影響水凝膠電解質(zhì)的電化學(xué)、機(jī)械及離子傳輸性質(zhì)；設(shè)備的選擇則決定了制備工藝的可行性與效率。為清晰展示，分別詳述如下。（1）實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)所用原材料及其基本信息（包括分子量、純度等）如【表】所示。依據(jù)水凝膠種類不同，所選取的主材料有所差異。?【表】主要實(shí)驗(yàn)材料材料名稱化學(xué)式應(yīng)用純度規(guī)格參數(shù)供應(yīng)商2-丙烯酰氧基乙基甲基丙烯酸酯(AGE-MA)C11H14O6合成P(MMA-co-AGE)水凝膠≥98%Mw=110-130kg/molACROSOrganics甲基丙烯酸(MMA)C5H8O2合成P(MMA-co-AGE)水凝膠≥97%Mw=100-110kg/molACROSOrganicsN,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)C7H12N2O2交聯(lián)劑≥98%-AladdinChem.N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)C6H15N3催化劑≥98%-阿拉丁化學(xué)鋅粉Zn鋅離子電池負(fù)極≥99.99%直徑≤45μmAladdinChem.釤摻雜錳酸鋰(正極材料)Li0.98Sm0.02Mn2O4鋅離子電池正極≥99%粒徑2-5μm(平均)林州卓創(chuàng)化工有限公司去離子水H2O溶劑、純化-蒸餾水純化實(shí)驗(yàn)室自制電解質(zhì)溶劑1,2-二甲亞砜(DMSO)溶解鋰鹽≥99.5%-TCIChemicals鋰鹽LiPF6電解質(zhì)離子源≥99.9%1mol/L溶于DMSOACROSOrganics穩(wěn)定劑(可選)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)提高穩(wěn)定性≥99%K30型Macklin粘結(jié)劑(正負(fù)極)聚偏氟乙烯(PVDF)正負(fù)極涂覆≥97%Kynar?PVDFH100薩.poolChemicalsInc.（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備制備水凝膠電解質(zhì)及測(cè)試裝置所需設(shè)備主要包括：合成與攪拌設(shè)備、均質(zhì)設(shè)備、電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)等?；瘜W(xué)合成與攪拌設(shè)備：所用水凝膠主要采用自由基聚合方法合成。本實(shí)驗(yàn)選用磁力攪拌器(Model:IKA德國(guó))與反應(yīng)燒瓶(玻璃材質(zhì))進(jìn)行單體的混合與聚合反應(yīng)。磁力攪拌器可提供持續(xù)、均勻的攪拌，確保單體和引發(fā)劑充分混合，提高反應(yīng)效率。均質(zhì)與脫氣設(shè)備：為確保水凝膠電解質(zhì)內(nèi)部的均勻性和純凈度，采用高壓均質(zhì)機(jī)(Model:NDS-25上海)對(duì)初步合成的凝膠進(jìn)行高壓處理，以破碎大顆粒、細(xì)化結(jié)構(gòu)、消除氣泡。同時(shí)在均質(zhì)前及過(guò)程中利用真空脫氣設(shè)備(真空度可達(dá)10-3Pa)對(duì)混合液進(jìn)行脫氣，減少溶解氧等雜質(zhì)對(duì)后續(xù)電化學(xué)性能的負(fù)面影響。電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)：用于組裝鋅離子電池并對(duì)電池性能進(jìn)行評(píng)估。主要包括：可充放電電池組裝系統(tǒng)：含精密操作臺(tái)、微量移液器、電極劃切刀等，用于精確制備電池正負(fù)極片，以及電池的組裝與密封。電化學(xué)工作站(Model:CHI660E電化學(xué)分析儀,CHI,中國(guó))：集成恒電流充放電功能(恒流充放電：0.1-5mA/cm3)、線性掃描伏安(LSV)、循環(huán)伏安(CV)、交流阻抗(EIS)警報(bào)和掃描功能。通過(guò)該設(shè)備，可系統(tǒng)性地研究水凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅離子電池的倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性、電化學(xué)阻抗以及荷電/放電過(guò)程中的電化學(xué)行為。手套箱(Model:LS-TECH恒溫恒濕可調(diào)式,美國(guó))：提供缺氧、低痕量水分的環(huán)境，用于電池組裝及首效實(shí)驗(yàn)，以避免空氣和水分對(duì)活性物質(zhì)及電解液的不良影響。部分核心設(shè)備的工作原理示意：電化學(xué)工作站工作原理：通過(guò)施加微小的電位或電流變化，結(jié)合三電極體系（工作電極、參比電極、對(duì)電極），通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)產(chǎn)生的電流或電壓信號(hào)，分析電極表面的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、電子轉(zhuǎn)移過(guò)程以及體系內(nèi)部的界面電荷轉(zhuǎn)移電阻等?；镜碾娐房蚣苌婕昂汶娢粌x、信號(hào)放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。交流阻抗儀(EIS)工作原理：在電極和工作電極之間施加一個(gè)小的、可變的正弦交流電壓信號(hào)，并測(cè)量相應(yīng)的交流電流信號(hào)。通過(guò)分析阻抗譜（Z’vs.

Z’’），可以獲得電池內(nèi)部包括SEI膜電阻、電解液阻抗、擴(kuò)散阻抗等多個(gè)時(shí)間常數(shù)信息，表征電池的內(nèi)阻和動(dòng)力學(xué)特性。常用擬合等效電路模型如【表】所示。?【表】交流阻抗常見等效電路模型模型名稱文獻(xiàn)符號(hào)含義典型應(yīng)用場(chǎng)景RandlesSEIR1-QPE1-CPE1SEI膜電阻-SternVolmer極化-Warburg擴(kuò)散研究首次循環(huán)、SEI形成Warburg傳遞R2-W利用電解液中離子的擴(kuò)散研究擴(kuò)散過(guò)程，低頻區(qū)主導(dǎo)半無(wú)限大WarburgR3-1/sQ3-1/sW半無(wú)限大擴(kuò)散模型研究液體電解質(zhì)傳質(zhì)此外根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，還可能涉及電子顯微鏡(SEM/TEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、核磁共振波譜(NMR)等分析表征設(shè)備，用于對(duì)水凝膠的結(jié)構(gòu)、成分、純度進(jìn)行表征驗(yàn)證。這些設(shè)備的選用與使用為全面深入理解水凝膠電解質(zhì)的制備工藝及其提升鋅離子電池性能的作用機(jī)制提供了必要的技術(shù)支撐。3.2.1實(shí)驗(yàn)材料介紹本實(shí)驗(yàn)旨在研究水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的應(yīng)用及其性能提升機(jī)制。實(shí)驗(yàn)材料的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要，以下為本次實(shí)驗(yàn)涉及的主要材料介紹。3.2.1實(shí)驗(yàn)材料介紹本實(shí)驗(yàn)主要涉及的實(shí)驗(yàn)材料包括：電解質(zhì)材料：選用水凝膠作為電解質(zhì)，其具有良好的離子傳導(dǎo)性能和柔韌性。為了優(yōu)化性能，還引入了其他此處省略劑，如導(dǎo)電聚合物、無(wú)機(jī)鹽等。正極材料：選用適合鋅離子電池的正極活性物質(zhì)，如氧化物、硫化物等，以保證電池的高能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。負(fù)極材料：選用鋅金屬或其合金作為負(fù)極，以利用其良好的電化學(xué)性能和成本效益。隔膜和集流體：選用適當(dāng)?shù)母裟げ牧?，以保證電池內(nèi)部離子傳導(dǎo)的效率和安全性；集流體則選用導(dǎo)電性良好的金屬或碳材料，以提高電池的整體性能。其他輔助材料：包括電解液此處省略劑、粘合劑、導(dǎo)電劑等，以優(yōu)化電池的界面性能和提高整體電化學(xué)性能。表：實(shí)驗(yàn)材料一覽表材料名稱詳細(xì)信息用途水凝膠特定類型的水凝膠電解質(zhì)電池電解質(zhì)正極活性物質(zhì)如氧化物、硫化物等電池正極鋅金屬或其合金鋅金屬或其合金粉末或片材電池負(fù)極隔膜材料微孔膜或其他類型隔膜電池隔膜集流體材料如銅、鋁等導(dǎo)電性良好的金屬或碳材料電池集流體其他輔助材料包括電解液此處省略劑、粘合劑等優(yōu)化電池性能通過(guò)上述材料的精確選擇和搭配，我們期望能夠制備出性能優(yōu)異的水凝膠電解質(zhì)鋅離子電池，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)鋅離子電池性能的提升機(jī)制。3.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器為了深入研究水凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池中的性能表現(xiàn)，本研究選用了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器，具體如下表所示：序號(hào)設(shè)備/儀器名稱功能描述1電化學(xué)工作站提供正負(fù)極電壓、電流和電位等參數(shù)測(cè)量，分析電極界面結(jié)構(gòu)2高速攪拌器用于攪拌電解質(zhì)溶液，確保離子均勻分布3真空干燥箱對(duì)制備的水凝膠電解質(zhì)進(jìn)行干燥處理，得到干燥樣品4X射線衍射儀分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)和形貌特征5掃描電子顯微鏡觀察水凝膠電解質(zhì)樣品的微觀形貌6熒光光譜儀測(cè)量電解質(zhì)中鋅離子濃度和遷移率等熒光特性7電化學(xué)阻抗譜儀分析鋅離子電池的電流、電位和功率等動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)8水浴鍋控制實(shí)驗(yàn)中的溫度條件這些設(shè)備與儀器為本研究提供了有力的支持，確保了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)合理使用這些設(shè)備與儀器，我們能夠系統(tǒng)地研究水凝膠電解質(zhì)制備工藝及其對(duì)鋅離子電池性能的提升機(jī)制。3.3實(shí)驗(yàn)方法（1）水凝膠電解質(zhì)的制備本實(shí)驗(yàn)采用自由基聚合法制備聚丙烯酰胺-海藻酸鈉（PAM/SA）復(fù)合水凝膠電解質(zhì)。具體步驟如下：溶液配制：將丙烯酰胺（AM）單體（10wt%）、海藻酸鈉（SA）（2wt%）和交聯(lián)劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA，0.5wt%）溶于去離子水中，磁力攪拌30min至完全溶解。隨后加入引發(fā)劑過(guò)硫酸銨（APS，1wt%）和催化劑四甲基乙二胺（TEMED，0.1wt），攪拌均勻。凝膠成型：將混合溶液倒入聚四氟乙烯模具中，60℃水浴反應(yīng)2h，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠前驅(qū)體。鋅鹽浸漬：將水凝膠前驅(qū)體浸入2mol·L?1ZnSO?溶液中，24h后達(dá)到溶脹平衡，得到PAM/SA-Zn2?水凝膠電解質(zhì)。為優(yōu)化電解質(zhì)性能，通過(guò)改變AM與SA的質(zhì)量比（如8:2、10:2、12:2）制備不同配比的水凝膠，并測(cè)試其離子電導(dǎo)率與機(jī)械強(qiáng)度。（2）鋅離子電池組裝采用扣式電池（CR2032）組裝鋅離子半電池，具體流程如下：負(fù)極制備：將鋅粉、乙炔黑和聚偏氟乙烯（PVDF）按8:1:1的質(zhì)量比混合，涂覆于銅箔上，80℃真空干燥12h，裁剪成直徑為12mm的圓片。電池組裝：在氬氣手套箱中（H?O、O?<0.1ppm），以鋅片為對(duì)電極，水凝膠電解質(zhì)為隔膜與電解質(zhì)，CR2032扣式殼封裝。對(duì)照組采用液態(tài)電解質(zhì)（2mol·L?1ZnSO?+0.1mol·L?1MnSO?）。（3）表征與性能測(cè)試結(jié)構(gòu)與形貌分析：使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察水凝膠的微觀孔道結(jié)構(gòu)，加速電壓為5kV。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析PAM/SA的化學(xué)鍵合，掃描范圍為4000–500cm?1。物理性能測(cè)試：溶脹率（SR）：通過(guò)【公式】SR=Ws?W離子電導(dǎo)率（σ）：通過(guò)電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試，頻率范圍100kHz–0.1Hz，按【公式】σ=LR×S計(jì)算，L電化學(xué)性能測(cè)試：循環(huán)伏安（CV）：電壓窗口為0.1–1.5Vvs.

Zn/Zn2?，掃描速率0.1–1mV·s?1。恒流充放電（GCD）：電流密度0.1–5A·g?1，電壓窗口0.1–1.5V。倍率性能：依次在0.1、0.2、0.5、1、2A·g?1電流密度下循環(huán)5圈后回歸0.1A·g?1。循環(huán)穩(wěn)定性：在1A·g?1電流密度下循環(huán)500圈，記錄容量保持率。（4）鋅枝晶抑制機(jī)制分析通過(guò)以下方法探究水凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅枝晶的抑制效果：鋅沉積形貌觀察：循環(huán)后剝離鋅負(fù)極，SEM觀察表面沉積均勻性。對(duì)稱電池測(cè)試：組裝Zn|電解質(zhì)|Zn對(duì)稱電池，記錄電壓-時(shí)間曲線，評(píng)估短路時(shí)間。X射線光電子能譜（XPS）：分析循環(huán)后鋅負(fù)極表面元素組成與價(jià)態(tài)，檢測(cè)副反應(yīng)產(chǎn)物。（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所有測(cè)試均進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Origin2021b軟件繪內(nèi)容，SPSS26.0進(jìn)行顯著性分析（p<0.05為顯著差異）。?【表】水凝膠電解質(zhì)組分與物理性能對(duì)比樣品編號(hào)AM:SA質(zhì)量比溶脹率（%）離子電導(dǎo)率（mS·cm?1）S18:2452±1512.3±0.8S210:2528±2018.6±1.2S312:2615±2515.9±1.0通過(guò)上述方法，系統(tǒng)研究了水凝膠電解質(zhì)的制備工藝及其對(duì)鋅離子電池性能的提升機(jī)制，為高性能電解質(zhì)設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.3.1樣品制備方法本研究采用的樣品制備方法主要包括以下步驟：首先，將鋅離子電池正極材料與導(dǎo)電劑混合均勻，形成漿狀物。接著將該漿狀物涂覆在水凝膠電解質(zhì)的基底上，確保漿狀物均勻覆蓋整個(gè)基底表面。然后將涂有漿狀物的基底放入真空干燥箱中，在設(shè)定的溫度下進(jìn)行干燥處理，以去除多余的水分。最后將干燥后的基底取出，即可得到所需的樣品。為了提高樣品的質(zhì)量和性能，本研究還采用了以下輔助手段：首先，使用高精度電子天平對(duì)原料進(jìn)行精確稱量，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。其次采用超聲波清洗器對(duì)導(dǎo)電劑進(jìn)行清洗，去除表面的雜質(zhì)和殘留物。此外還使用了顯微鏡觀察樣品的表面