东北师大谭华桥、李英奇《Angew》：快速合成单离子导电水凝胶电解质，用于高性能准固态锌离子电池

可充水系锌离子电池（ZIBs）具有理论容量高、氧化还原电位低、锌储量丰富、成本低和无毒性等优点，近年来受到广泛关注。然而，锌枝晶、寄生析氢反应（HER）、电解液泄漏等诸多不利问题一直困扰着它们的实际发展。单离子导电电解质可在很大程度上消除电极极化、降低阴离子迁移比例并抑制电池中的副反应。然而，由于阳离子和阳离子受体之间的强相互作用，它们通常存在离子导电性不足的问题。

近日，东北师范大学谭华桥教授、李英奇博士、吉林大学郎兴友教授报告了一种具有磺酸基团修饰的超快光响应共价有机框架（COF），作为丙烯酰胺聚合引发剂。研究发现，得益于Zn2+与磺酸基团之间的静电作用通过溶解效应而减弱，所制备的COF基水凝胶电解质（TCOF-S-Gel）的离子电导率高达27.2 mS/cm，Zn2+迁移数高达0.89。此外，充足的氢键赋予了单离子导电TCOF-S-Gel电解质良好的保水性和卓越的机械性能。结果，组装的Zn||TCOF-S-Gel||MnO2锌离子全电池具有高放电容量（1 C时为248 mAh/g）、出色的倍率能力（10 C时为90 mAh/g）和卓越的循环性能。这些卓越的结果表明，瞬间光固化的TCOF-S-Gel电解质可用于大规模柔性高性能准固态锌离子电池。

文章要点：

1. 这项工作提出了一种COF基水凝胶（TCOF-S-Gel）电解质，它将PGE和单离子导体完美融合，相辅相成，解决了上述所有问题。具体而言，它是利用光响应磺酸改性COF（TCOF-S）催化，引发TCOF-S孔道内部丙烯酰胺瞬间原位光固化而合成的，是一类新型高质量准固态单Zn2+导体。

2. 聚丙烯酰胺链的溶剂化效应使Zn2+阳离子更容易与COF孔壁上的磺酸（-SO3-）基团解耦并形成Zn2+梯级。微环境的这种变化激活了Zn2+的定向移动。此外，COF骨架和-SO3-基团为Zn2+的均匀沉积和剥离提供了足够的纳米级缓冲通道，而且COF还能与锌箔友好接触。

3. 上述优势导致Zn2+的电导率提高了10,000倍（与TCOF-S相比，高达27.2 mS/cm），室温下的tZn2+为0.89，Zn2+的沉积电位最低（39 mV）。此外，水凝胶的填充赋予了TCOF-S-Gel薄膜更强的机械性能。COF孔道中的-SO3-基团与水分子的强氢键结合也降低了水凝胶的失水率。

4. 基于TCOF-S-Gel的Zn||MnO2全电池具有高比容量（248 mAh/g）、长寿命（1400 次循环后容量几乎保持不变）、最低极化电压（244 mV）和1 C下最低的氧化还原电位差（305 mV）等特点。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202312020

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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