Robust Hydrogel Electrolyte for Extra‐Low Temperature Zinc Ion Storage Enabled by Nanoconfinement Effect

材料科学 电解质 自愈水凝胶 储能 离子电导率 电化学储能 纳米技术 化学工程 电导率 电化学 超级电容器 电池(电) 离子键合 聚苯乙烯 聚丙烯酰胺 离子液体 锌 盐(化学) 能量密度 离子 执行机构 聚电解质 膜
作者
Peilin Liang,Dongzhi Zhang,Hongliang Dong,Baptiste Py,Qinfen Gu,Pan Xiong,Hui Xia,Francesco Ciucci A,Wei She,Yuping Wu,Linfeng Hu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e75036-e75036
标识
DOI:10.1002/adma.75036
摘要

ABSTRACT The growing demand for energy storage in extreme environments, including aerospace, polar regions, and deep sea, necessitates batteries that can operate reliably at ultra‐low temperatures. Zinc‐ion batteries (ZIBs) have emerged as promising candidates for such applications, with hydrogel electrolytes offering an appealing combination of safety, flexibility, and stability. However, conventional hydrogel electrolytes, containing high proportions of free water (> 80 wt.%), suffer from critical limitations, including narrow electrochemical stability windows, unwanted metal‐anode side reactions, and freezing at subzero temperatures. To address these critical challenges, we introduce a novel nanoconfinement strategy that restricts free water mobility by embedding ∼60 nm polystyrene within a polyacrylamide (PAM)‐based hydrogel matrix. The resulting 30PS‐nc‐PAM hydrogel electrolyte exhibited high zinc ionic conductivity and mechanical robustness. Demonstrating practical application at −40°C, an ultralong lifespan of 5000 cycles was achieved in a Zn|30PS‐nc‐PAM|PANI flexible cell. Even at −70°C, a Zn|30PS‐nc‐PAM|VO 2 coin cell exhibited a high specific capacity of 131.1 mAh g −1 at 0.1 A g −1 , outperforming most of the recently reported low‐temperature ZIBs based on hydrogel electrolytes. The nanoconfinement strategy effectively addresses major limitations of conventional hydrogels in terms of low‐temperature ionic conductivity, salt segregation, and mechanical properties, thereby opening new avenues for energy storage in extreme environments.
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