UCLA贺曦敏团队AM：高强度防冻锌电池水凝胶电解质
水凝胶的共非溶剂效应和盐析效应
为了保证水凝胶的抗冻能力，通过一系列的筛选，选择KAc/ZnAc2作为电解质凝胶的盐，主要是因为这样的混合物可以形成具有强烈 "盐化 "和抗冻特性的含Zn2+的溶液。KAc/ZnAc2溶液可以被制成超高浓度的说溶液，这得益于KAc的高溶解极限（≈75wt%），以及KAc可以增加ZnAc2的溶解度。虽然高浓度有利于溶液的抗冻和 "盐化 "能力，但它可能会阻碍离子的流动性，并在电池运行期间造成高过电位或极化。因此，本文对盐的浓度和盐的比例进行了优选，选出的416比例溶液抗冻能力可以达到-39℃。
非共溶剂析出是一种有效生成具有高度密集的孔壁和相互连接的孔隙的多孔结构的方法，这种结构可以改善扩散而不影响机械性能，这有利于电池性能。该效应主要是通过"溶剂络合"，即两种溶剂在聚合物链上相互偏爱，导致溶剂络合成为聚合物的弱溶剂，从而导致链聚集和 "优先吸附"，即一种溶剂比另一种溶剂更偏爱聚合物链，导致弱溶剂从聚合物矩阵中排除，从而导致聚合物链聚集。这些机制表明，链长、溶剂比例、老化时间和聚合物浓度等变量会影响共混效应。因此，文章也对非共溶剂过程进行了一定优化,制备出了半互通结构的多孔材料，比传统多孔材料的过电势高出10倍，力学性能也更加优异。
通过两步优化，制备出了具有优良力学性能、抗冻性能和离子传输性能的水凝胶电解质材料（PVA-416）。PVA-416具有优异的转移数（0.517）和离子电导率（25℃时49.8 mS cm-1），可作为电池电解质使用。可能是由于复杂的水-离子-聚合物相互作用的结果，但水凝胶在-77℃下保持24小时后仍然保持机械弹性，显示了其优良的抗冻性。在力学方面，PVA-416甚至比锌离子电池中常用的湿玻璃纤维隔膜显示出更高的强度和韧性，在所有的拉伸、压缩）和穿刺力测试中，显示出卓越的机械稳定性。水凝胶（湿材料）具备出色的15.6 MPa抗拉强度甚至高于可穿戴电子腕带（干固体材料，平均11.6 MPa）。
基于水凝胶电解质的电池性能研究
利用100微米厚的PVA-416作为电解质制作纽扣电池，以测试其在不同温度下（25℃、-20℃、-30℃、-40℃和-45℃）的电化学性能。以Zn箔阳极和聚苯胺（PANI）为阴极素。循环伏安曲线显示在1.3和1.05 V对Zn/Zn2+的可逆峰，分别对应于离子储存在氧化或还原PANI电位。对于所有的温度，最终的低电流循环显示出与最初的低电流循环相似的容量，这意味着在较高的电流下容量的减少主要归因于离子传输动力学，而不是电极或电解液的结构退化。充放电高原的电压窗与CV中的氧化还原峰相匹配。循环性能也在不同的温度下进行了评估。在2 A g-1的条件下，该电池在25℃的1000次循环和-20℃的30000次循环后，分别为了52.2 mA h g-1和57.5 mA h g-1的可逆容量，在-20℃时容量下降不明显，显示了其超高的稳定性，电池甚至可以在-40°C和-45°C下工作。总的来说，电池的高稳定性和温度耐受性是由抗冻、树枝状延缓和可逆的锌化学使水凝胶电解质得以实现。
为了证明设备层面的抗冲击和抗冻能力，对软包电池进行了低温锤击试验。与带有玻璃纤维隔膜的电池相比，PVA-416电池能够承受至少8倍的冲击（每次冲击事件的能量和力量分别为1952 J m-2和130 N）。更令人惊喜的是，带有PVA-416电解质的软包电池还能承受住重达1750公斤的汽车反复碾压。
小结：柔性水电池由于其安全性和成本效益，对未来的软性电气设备来说是很有希望的供能设备，但由于其不理想的抗冻性和抗冲击性而在实际应用上受到限制。在这项工作中，提出了一种方法来实现具有抗冻性、高机械稳健性、增强的质量传输以及抑制树枝状物和副反应的水凝胶电解质。主要通过协同利用共非溶剂和 "盐析 "效应，制备了性能全面的PVA水凝胶电解质。用这种水凝胶电解质制成的准固态抗冻电池在-20℃时，在2 A g-1的条件下，表现出30 000次以上的超高容量保持，并能经受住锤子的反复冲击或车辆的碾压。这种方法可以用其他盐类和工艺进行扩展，用于更多类型的电池系统，为下一代柔性电池提供一种新的方法。
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