科学指南针助力顶刊研究：高性能深共晶/离子液体凝胶在锌离子电池与柔性传感器中的应用【科学指南针·计算支持·2025】

研究背景与锌离子电池挑战

锌离子电池（ZIBs）作为一种新兴储能技术，因其高理论容量、安全性和低成本受到广泛关注。然而，ZIBs在正极材料、负极材料、隔膜和电解质方面仍存在诸多挑战。传统水凝胶电解质如PAM/ZnSO4体系，虽能结合隔膜和电解液功能，但面临离子电导率低、环境适应性弱、副反应频发及锌枝晶生长等问题。这些问题严重限制锌离子电池在极端环境下的应用。

深共晶溶剂（DES）由氢键受体和供体组成，具有电导率高、环境友好等优势。离子液体则具备宽电化学窗口、高离子电导率及结构可调性，能有效提升电解质性能。通过调控DES与离子液体的组合，可在聚合物链间形成动态氢键网络，进而优化凝胶的离子电导率、机械性能和自愈性。科学指南针计算平台为相关模拟提供技术支持，助力研究者深入解析材料机理。

关键挑战包括：

• 离子电导率提升：需平衡凝胶粘度与导电性。

• 界面稳定性：凝胶-电极界面需抑制枝晶生长和副反应。

• 环境适应性：拓展电池在低温、高湿等极端条件下的应用。

实验设计与计算方法

湖南工业大学陈一教授团队设计了一种深共晶溶剂/离子液体复合凝胶（PDEM），由DES、离子液体EMIMBF4和PAM基体构成。该凝胶通过动态氢键和离子相互作用形成三维网络结构。研究结合实验表征与计算模拟，科学指南针提供静电势和结合能等关键计算支持。

​计算分析要点​：

• 静电势计算：揭示ClO4⁻中氧原子和BF4⁻中氟原子的强电负性，这些原子易与氢键供体（如PAM链的-NH2）形成氢键。

• 结合能计算：[Zn(H2O)5ClO4]⁺结合能为-16.22 kJ·mol⁻¹，高于[Zn(H2O)5BF4]⁺（-8.77 kJ·mol⁻¹），表明ClO4⁻与Zn²⁺相互作用更强，优先参与配位。

• 作用机制：阴离子取代溶剂化[Zn(H2O)6]²⁺外围水分子，形成贫水结构，抑制析氢反应和枝晶生长。

实验方法包括：

• 凝胶制备：通过简易合成路径获得PDEM凝胶。

• 性能测试：涵盖离子电导率、机械性能、粘附性及电化学循环。

• 模拟验证：DFT计算佐证离子间相互作用。

图1 PDEM凝胶的制备示意图，凝胶内部的作用机制及其多功能应用

图2PAZ、PDS和PDEM凝胶电解质的物化性质和微观结构

性能结果与机理分析

PDEM凝胶展现出多项优异性能，其离子电导率达31.74 mS/cm，抗冻温度低至-49.8°C，断裂伸长率高达2500%，且具备自愈性和强粘附性。这些特性使其同时适用于柔性传感器和锌离子电池电解质。

​核心性能数据​：

• 机械性能：PDEM凝胶在循环拉伸和压缩测试中保持稳定性，压缩50次后曲线高度重合。

• 电化学性能：Zn||PDEM||VO2全电池在0.1 A g⁻¹下放电比容量为340.4 mAh g⁻¹，对称电池在2.0 mA cm⁻²下循环寿命超1000小时。

• 环境适应性：-20°C低温下电池循环745次，库伦效率近100%。

机理分析表明：

• 氢键网络：FTIR和拉曼光谱证实DES与离子液体增强氢键作用，DSC测试验证网络稳定性。

• 微观结构：PDEM凝胶分相均匀，DES和EMIMBF4分布一致。

• 溶剂化调控：ClO4⁻和BF4⁻调控Zn²⁺溶剂化壳层，降低自由水活性，抑制枝晶。

科学指南针计算服务为上述机理提供量化支持，例如结合能计算明确阴离子竞争行为。

图3 PDEM复合凝胶的机械性能

图4 PDEM的粘附性能和自愈性能

应用前景与总结

PDEM凝胶在柔性传感器和锌离子电池中表现卓越。作为传感器，其可贴合人体关节，准确监测运动状态，灵敏度因子GF=1.15；作为电解质，其赋予电池高倍率性能和极端环境稳定性。该研究由科学指南针提供计算助力，凸显计算模拟在材料设计中的价值。

​应用亮点​：

• 柔性设备：PDEM凝胶传感器实现手指弯曲、腕部运动等动作识别。

• 电池性能：Zn||PDEM||VO2@CC柔性电池在弯曲、剪切下库伦效率保持98%。

• 产业化潜力：凝胶合成方法简便，适于大规模生产。

总结而言，PDEM凝胶通过动态网络结构解决锌离子电池瓶颈，为极端环境下能源设备提供新方案。本研究获国家自然科学基金资助，科学指南针计算平台持续支持创新探索。

引用：T. Li et al., Advanced Functional Materials, 2025, DOI: 10.1002/adfm.202514358。科学指南针用户可参考类似计算方案优化自身研究。