超分子两性离子水凝胶电解质 破解锌离子电容器枝晶难题的新策略

随着可穿戴电子设备和柔性储能系统的快速发展，安全、环保、高性能的锌离子电容器（Zinc-ion Capacitors, ZICs）受到广泛关注。锌负极在循环过程中产生的枝晶生长和副反应（如析氢、腐蚀）严重制约了其循环寿命和库仑效率。北京林业大学杨俊教授团队在《Energy & Environmental Science》（EES）上发表了一项创新研究，提出一种超分子两性离子水凝胶电解质（Supramolecular Zwitterionic Hydrogel Electrolyte, SZHE），成功实现了无枝晶的锌沉积，显著提升了锌离子电容器的电化学性能。

传统水系电解质中，锌离子沉积不均匀导致枝晶形成，枝晶可能刺穿隔膜引发短路，同时加剧析氢反应。杨俊团队设计的超分子两性离子水凝胶电解质，通过将两性离子聚合物（如磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯）与超分子相互作用（如氢键、静电作用）相结合，构建了具有丰富离子传输通道和均匀Zn2+通量的三维网络。该凝胶电解质兼具高离子电导率（~20 mS cm-1）、优异的机械柔韧性和强亲水性。

研究表明，两性离子基团中的磺酸阴离子和季铵阳离子能够锚定水分子，降低自由水含量，从而抑制析氢和锌腐蚀；凝胶网络中的阴离子基团通过静电作用均匀吸附Zn2+，引导其在锌负极表面均匀成核和沉积, 从而有效抑制枝晶生长。该电解质还通过氢键作用调控Zn2+的溶剂化结构，减少水合离子带来的副反应。

组装的无枝晶锌离子电容器展现出卓越的性能：在1 A g-1电流密度下比电容可达220 F g-1，循环10,000次后容量保持率超过95%，且库仑效率接近100%。即使在高电流密度或弯曲状态下，器件仍能稳定工作。该工作不仅为锌离子电容器提供了一种新型电解质设计思路，也推动了柔性储能器件的发展。北京林业大学杨俊教授为通讯作者，研究成果以“Supramolecular Zwitterionic Hydrogel Electrolyte for Dendrite-Free Zinc-Ion Capacitors”为题发表。该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。