A Bioinspired Gradient Hydrogel Electrolyte Network with Optimized Interfacial Chemistry toward Robust Aqueous Zinc-Ion Batteries

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作者
Qunhao Wang,Jing Huang,Luhe Qi,Mei Li,Sijun Wang,Junqing Chen,Zengyan Sui,Tingting Bi,Qi Tang,Le Yu,Pei Hu,Wei Zhang,Canhui Lu,Chaoji Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (29): 26770-26781 被引量:71
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c06914
摘要

Hydrogel electrolytes are regarded as a promising option for high-performance aqueous zinc-ion batteries (ZIBs), but they frequently fail to balance the reaction kinetics and Zn 2+ deposition stability. Inspired by articular cartilage, here we develop a gradient-networked hydrogel electrolyte comprising poly(vinyl alcohol) (PVA), cellulose nanofiber (CNF), and graphene oxide (GO) for ZIBs. The low-network-density PVA/CNF (PC) hydrogel layer (cathode side) with extensive channels and a higher water content ensures the rapid transport of ions, while the interfacial hydrogel layer in contact with the Zn anode exhibits a high-density PVA/CNF/GO (PCG) network with enriched carboxyl and hydroxyl groups, which facilitates the desolvation of Zn 2+, decreases the activity of water, and homogenizes the Zn 2+ flux. Moreover, the polar oxygen-containing groups in GO endow it with dielectric and electronegative properties, collectively enhancing the Zn 2+ transference numbers and ionic conductivity of the hydrogel electrolyte. Benefiting from such a gradient-networked structure and modulated interfacial chemistry, the hydrogel electrolyte can effectively stabilize Zn anodes while simultaneously accelerating reaction kinetics. Consequently, the hydrogel electrolyte enables Zn-symmetric cells to exhibit excellent stability over a duration exceeding 2200 h at 1 mA cm –2, and Zn–MnO 2 full cells demonstrate enhanced rate capability and safety under various external damages. Overall, this work provides a reliable nature-inspired design strategy of hydrogel electrolytes toward high-performing ZIBs.
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