刘硕|罗少华|孙奇|丛军|严胜学|郭静
东北大学材料科学与工程学院，沈阳110819，中国
**摘要**
水基锌离子电池因其固有的安全性、低成本和环境兼容性而日益受到关注。然而，传统液态电解质的实际应用仍受限于电解质泄漏、锌枝晶形成、显著的副反应以及较差的低温适应性。由于聚丙烯酰胺（PAM）基凝胶电解质具有良好的亲水性、机械柔韧性和界面亲和力，因此成为提高电池稳定性和环境耐受性的有希望的候选材料。现有研究表明，PAM基凝胶电解质可以有效优化锌阳极界面过程，抑制枝晶生长和不希望发生的副反应，从而显著提高电池的循环寿命和更广泛的应用前景。本综述概述了水基锌离子电池用PAM基凝胶电解质的最新进展，重点介绍了与离子传输调控、机械性能增强、电极/电解质界面稳定化以及防冻和自修复行为等功能增强相关的设计概念和机制。这项工作为下一代PAM基凝胶电解质的合理开发提供了设计指导。
**引言**
随着便携式电子设备、柔性可穿戴设备和大规模储能系统的快速发展，对同时满足安全性、经济性和环境可持续性要求的先进储能技术有了迫切的需求[1]、[2]、[3]。与传统基于有机电解质的锂离子电池相比，水基电池系统具有固有的安全优势，因为它们使用不可燃的电解质[4]。其中，水基锌离子电池被广泛认为是下一代安全储能设备的有力竞争者，这得益于金属锌的高理论容量、低氧化还原电位、天然丰富性、成本效益和低毒性[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。特别是对于柔性电子设备和可穿戴储能应用，AZIBs（水基锌离子电池）由于其简单的配置、固有的安全性和良好的机械适应性而具有巨大潜力[18]、[19]。最近关于动态亚胺可喷涂生物凝胶电解质的研究进一步证实了可变形凝胶电解质在柔性及可穿戴储能应用中的价值，因为这类凝胶系统可以在人体直接接触条件下保护设备免受界面干扰[20]。
尽管具有这些优势，水基锌离子电池（AZIBs）的进一步发展仍受到传统液态水基电解质的诸多限制。在这些系统中，锌阳极通常会经历不均匀的沉积，容易引发枝晶生长，增加内部短路的可能性，并损害循环寿命[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。同时，高反应性的水环境会促进副反应，包括氢气的产生、腐蚀和副产物的积累，从而降低库仑效率和加速界面劣化[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。此外，液态电解质容易蒸发和泄漏，并且常常在变形时无法保持电极/电解质的稳定接触，这在柔性设备中尤为成问题[26]、[34]。因此，电解质不仅仅是锌离子传输的介质，还是控制界面反应路径、锌沉积/剥离行为和长期运行稳定性的关键因素[33]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。同时，通过催化工程改造锌阳极的d带中心已被提出以抑制氢气的产生并延长水基锌离子电池的寿命，这表明电解质和界面设计应通过其调节副反应和锌表面活性的能力来进行评估[40]。
为了克服传统液态电解质的缺点，聚合物网络凝胶电解质受到了广泛关注，因为它们结合了液体的离子传输能力和固体的几何稳定性[39]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。在本综述中，“PAM基凝胶电解质”是指将水基电解质固定在类似固体基质中的含PAM的聚合物网络电解质。“水凝胶电解质”和“准固态电解质”这两个术语分别用于强调富含水分的凝胶特性或机械自支撑的电解质配置。水凝胶聚合物电解质（HPEs）指的是具有自支撑聚合物网络和水性离子相的水凝胶型聚合物电解质（图1）[51]。现有研究表明，这类凝胶电解质可以抑制自由水的移动性，提高尺寸稳定性、机械强度和封装适应性，同时保持相对较高的离子导电性[30]、[41]、[42]、[43]、[44]、[48]、[49]、[50]、[52]、[53]、[54]、[55]、[56]。更重要的是，聚合物网络中的亲水或极性基团可以通过氢键或配位作用与水分子和锌离子相互作用，从而降低水的活性，减轻副反应，构建相对有序的锌离子传输路径，并抑制枝晶生长[19]、[33]、[38]、[54]、[55]。此外，凝胶框架提供的弹性支撑有助于在变形和重复循环过程中保持电极/电解质的紧密接触，从而降低短路风险[57]、[58]。因此，评估PAM基凝胶电解质的电化学性能时应考虑离子导电性、机械强度、界面稳定性和厚度控制，而不仅仅是单一的导电性值。
在迄今为止探索的各种聚合物基质中，PAM因其强烈的亲水性、优异的兼容性、理想的柔韧性和成熟的自由基聚合化学成为构建AZIB凝胶电解质的代表性聚合物基质[59]、[60]。PAM大分子是通过丙烯酰胺单体的自由基聚合生成的，通常由过氧化物或偶氮化合物等引发剂引发。从凝胶电解质制备的角度来看，PAM基系统可以通过物理凝胶化、化学交联或原位单体聚合来构建。在体外方法中，通常首先制备多孔聚合物支架，然后注入电解质；而在原位策略中，依靠聚合或交联反应在工作系统内直接建立三维网络[61]、[62]。这种多功能性突显了PAM基凝胶电解质通过原位和体外途径的高度结构可调性。此外，通过引入双网络、双交联或互穿结构以及与其他聚合物、无机填料或功能性添加剂结合，可以进一步增强PAM及其复合衍生物的机械性能和离子传输行为[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]。
从机制角度来看，PAM基凝胶电解质的优点不仅在于从液态到凝胶的简单转变，更在于聚合物链上亲水性和极性位点调节水状态、局部锌离子迁移和电极界面反应的能力。相关研究表明，PAM基凝胶中的丰富亲水功能可以吸附或限制活性水分子，从而抑制氢气的产生和副产物的生成[70]、[71]。同时，功能基团与锌离子之间的相互作用可以调节锌离子的扩散行为和通量分布，有利于均匀沉积和抑制枝晶生长[39]、[70]。此外，当前的研究重点已从单纯追求高离子导电性逐渐转向机械强度、界面稳定性和环境适应性的综合优化，包括防冻、自修复和高温耐受性等多功能特性[48]、[49]、[50]、[54]、[55]、[56]。
之前的综述主要从材料类别、设备应用和功能角度总结了水凝胶电解质、准固态电解质和水基锌电池电解质[39]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[72]、[73]。这些研究提供了宝贵的背景信息，但它们通常没有将PAM特有的聚合化学作为核心对象，也没有系统地探讨丙烯酰胺聚合/交联、网络结构、水状态调节、锌离子溶剂化/去溶剂化以及电极/电解质界面演变之间的内在联系。相应的知识空白是如何将零散的PAM相关材料实例转化为能够指导AZIBs电解质设计的机制框架。因此，本综述的新贡献是：(i) 明确PAM基凝胶电解质在AZIBs中的应用范围，并将其与更广泛的关于水凝胶电解质或锌基电池系统的综述区分开来；(ii) 将合成策略和网络结构与水离子调节、锌离子去溶剂化和锌阳极界面稳定化联系起来；(iii) 从界面和制造的角度批判性地比较原位和体外制备方法；(iv) 提出面向设备的评估标准和可操作的设计原则。
基于上述范围，本综述重点关注PAM基凝胶电解质在AZIBs中的设计策略和调节机制。讨论围绕合成路径、网络结构、离子传输调控、机械性能增强、界面稳定化、防冻行为、自修复功能、实际限制和标准化评估要求展开，旨在将分子/网络设计与设备级别的电化学行为联系起来[34]、[39]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[72]、[73]、[74]。
**章节摘录**
**原位聚合**
对于PAM基凝胶电解质，原位聚合已发展成一系列由不同聚合驱动模式和界面调节要求指导的合成方法。由于前驱体可以在电池内部直接形成凝胶，这种策略能够实现凝胶电解质与电极表面之间的紧密界面接触，在某些情况下还能实现化学集成，从而有效降低界面电阻并减轻副反应。
**PAM基凝胶电解质的网络结构设计**
PAM基凝胶电解质的内部网络结构是决定其机械强度、离子传输行为和界面稳定性的关键因素。在迄今为止探索的各种结构设计中，双网络结构被认为是提高PAM基凝胶电解质整体性能的最有效方法之一，因为它们可以同时实现机械增强、离子传输优化和界面调节[87]。
**实现高离子导电性的策略**
高离子导电性是PAM基凝胶电解质支持快速锌离子传输、减轻电化学极化和保持理想倍率能力的前提条件。由于PAM基凝胶电解质在正负极两侧都作为离子传导介质，导电性是评估其实际应用性的最关键参数之一[115]。从宏观角度来看，离子导电性与水分含量和系统密切相关。
**结论与展望**
总之，PAM基凝胶电解质已成为水基锌离子电池凝胶电解质研究中最具代表性的系统之一，这归功于其低成本、简单的制备过程、优异的柔韧性和易于调节的分子结构。近年来，通过双网络结构构建、动态交联设计、引入深共晶溶剂/助溶剂、无机/有机复合材料等策略，PAM基凝胶电解质取得了显著进展。
**作者贡献声明**
严胜学：可视化、数据分析。郭静：可视化、撰写—审稿与编辑、监督。丛军：可视化、验证、监督。刘硕：撰写—初稿、方法学、数据分析、概念化。罗少华：撰写—审稿与编辑、软件使用、资源获取。
**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
**致谢**
本工作得到了2026年河北省研究生创新能力培训项目（CXZZBS2026170）和2025年河北省研究生创新能力培训项目（CXZZBS2025202）的财政支持。
