水系锌离子电池凭借高安全性、低成本及环境友好性等优势成为“后锂电时代”储能技术的有力竞争者。然而，锌离子电池的商业化应用面临诸多挑战，包括严重的析氢副反应、锌枝晶生长、电极溶解等问题。使用固态电解质替代传统液态电解液，构筑固态锌电池，是解决上述难题的有效途径。现有的水凝胶电解质虽具有良好的机械性能和离子导电性，但存在高温水蒸发、低温结晶等问题；离子凝胶电解质则面临离子导电性与机械性能难以平衡的困境。拥有高电荷密度的Zn²⁺与聚合物链段的强静电相互作用，严重阻碍了离子迁移；加之厚溶剂化鞘层与传统离子通道的失配，使开发固态锌离子电池用固态电解质材料面临重大挑战。

针对上述挑战，徐吉静教授课题组提出动态氢键介导离子传输策略，通过植酸（PA）分子与聚乙烯醇（PVA）之间的氢键交联作用，借助简易溶剂蒸发/浇铸工艺开发了一种锌离子导电弹性体电解质（ZICE-4）。与传统水凝胶电解质相比，其内部的大尺寸PA分子有助于维持PVA链的伸展构象和均匀互穿分布，增强PVA聚合物的无定形区域。PA分子通过−P=O/−P−OH基团构建定向配位位点，而PVA链段通过动态氢键网络为锌离子提供了跳跃通道，促使锌离子沿PVA链拉伸构象方向进行有序跃迁，实现了锌离子在弹性体电解质ZICE-4中的高效传输。同时，弹性体的特殊粘弹性有助于在电极/电解质界面构筑紧密接触的低阻抗界面，适应界面体积变化，并抑制锌枝晶生长。该设计使ZICE-4获得6.05 mS cm⁻¹的离子电导率和0.68的锌离子迁移数；基于此组装的锌对称电池实现2880小时无枝晶稳定循环；固态Zn//VO₂电池在400次循环后展现出86.5%的容量保持率。以上研究结果为构筑高安全、长寿命固态锌电池提供了新材料和新方案。

该成果以“Design Considerations of Ionic Conductive Elastomeric Electrolyte for Solid-State Zinc Metal Batteries with High Safety and Long Life”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2025, DOI:10.1002/anie.202507137。

图1.离子传输机制示意图。

论文链接：//doi.org/10.1002/anie.202507137