Water-Restrained Hydrogel Electrolytes with Repulsion-Driven Cationic Express Pathways for Durable Zinc-Ion Batteries

材料科学 电解质 阳离子聚合 化学工程 纳米技术 电极 高分子化学 化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Dewu Lin,Yushuang Lin,Run Pan,Jiapei Li,Anquan Zhu,Tian Zhang,Kai Liu,Dongyu Feng,Kunlun Liu,Yin Zhou,Chengkai Yang,Hong Guo,Wenjun Zhang
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:17 (1) 被引量:11
标识
DOI:10.1007/s40820-025-01704-5
摘要

The development of flexible zinc-ion batteries (ZIBs) faces a three-way trade-off among the ionic conductivity, Zn2+ mobility, and the electrochemical stability of hydrogel electrolytes. To address this challenge, we designed a cationic hydrogel named PAPTMA to holistically improve the reversibility of ZIBs. The long cationic branch chains in the polymeric matrix construct express pathways for rapid Zn2+ transport through an ionic repulsion mechanism, achieving simultaneously high Zn2+ transference number (0.79) and high ionic conductivity (28.7 mS cm-1). Additionally, the reactivity of water in the PAPTMA hydrogels is significantly inhibited, thus possessing a strong resistance to parasitic reactions. Mechanical characterization further reveals the superior tensile and adhesion strength of PAPTMA. Leveraging these properties, symmetric batteries employing PAPTMA hydrogel deliver exceeding 6000 h of reversible cycling at 1 mA cm-2 and maintain stable operation for 1000 h with a discharge of depth of 71%. When applied in 4 × 4 cm2 pouch cells with MnO2 as the cathode material, the device demonstrates remarkable operational stability and mechanical robustness through 150 cycles. This work presents an eclectic strategy for designing advanced hydrogels that combine high ionic conductivity, enhanced Zn2+ mobility, and strong resistance to parasitic reactions, paving the way for long-lasting flexible ZIBs.
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