成果简介

准固态锌离子电池（ZIBs）凭借本征安全、低成本与环境可持续等优势备受关注，但要走向实用，凝胶电解质必须在离子电导、界面稳定性与锌沉积可控性之间取得平衡。海藻酸钠（SA）作为一种天然多糖，是可持续 ZIBs 中极具潜力的凝胶电解质基质，但其实际应用却受限于离子电导率不足、电极/电解质界面不稳定以及锌沉积不可控等难题。基于此，本文，东北电力大学Lanhe Zhang等在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊发表题为"An Environmentally Benign and Cost-Effective Modified Graphene Oxide/Sodium Alginate-Based Gel Electrolyte for Practical Quasi-Solid-State Zinc-Ion Batteries"的研究论文。通过将TiO?/CaCO?共改性氧化石墨烯（TCGO）和赤藓糖醇（ER）引入SA基体中，制备了改性氧化石墨烯/海藻酸钠基凝胶电解质（TCGSA）。

TCGO、ER和SA之间的协同作用有利于Zn2+的传输和界面离子通量的均质化，TCGSA的离子电导率为23.8 mS·cm–1。具体而言，TCGO中含TiO?的极性基团提供了额外的Zn2?相互作用位点，而由ER和SA形成的氢键网络则增强了凝胶电解质的结构稳定性，并抑制了界面副反应。当 TCGO 中的 TiO? 含量为 3.3 wt % 时，由 TCGSA 凝胶电解质组装的 Zn||MnO? 整电池在 0.1 A·g?1 电流密度下表现出 483 mAh·g?1 的最大容量，并在 2 A·g?1 电流密度下经过 1900 次循环后仍保留了 60.92% 的初始容量。与此同时，Zn||Zn对称电池展现出了超过1200小时的稳定循环性能。根据原材料价格估算，TCGSA软包电池的成本相对较低（仅为0.026美元/mAh），是实现低成本、环保型准固态锌离子电池（ZIB）大规模生产的潜在候选方案。

图文导读

Figure 1.(a) Schematic illustration of the quasi-solid-state ZIB configuration based on the TCGSA gel electrolyte. The FTIR spectra of the 0.1, 0.08, 0.06, 0.04, and 0.02TiO₂-CGO contents, (b) 500–3600 cm^–1, (c) 1600–1780 cm^–1. (d) Discharge capacity of Zn||MnO₂ full cells with different TiO₂ dosages of TCGSA. (e) Fitting image of the modified Gaussian model, (f) optimal region.

Figure 2.SEM images of SA: (a) 50 μm, (b) 500 nm. TCGSA: (c) 1 μm, (d) 50 μm. (e) Element mapping of TCGSA. (f) High-resolution XPS spectrum of TCGO.

Figure 3.(a) XRD patterns of GO and TCGO. (b) Free energy ΔG of TCGO. (c) FTIR, (d) Contact angle, (e) TG, (f) mechanical strength, (g) zeta potentials, (h) EIS of SA, GSA, and TCGSA. (i) IC of typical polymer electrolytes in ZIBs.

Figure 4.(a) GCD results of symmetrical cells with SA, GSA, and TCGSA gel electrolytes at 0.5 mA·cm^–2 and 0.5 mAh·cm^–2. (b) Tafel, (c) CV, (d–f) EIS, (g–i) i–t curves of SA, GSA, and TCGSA gel electrolytes. (j) Mechanism of TCGSA guiding uniform deposition of Zn²⁺. (k) LSV curves of SA, GSA, and TCGSA gel electrolytes. (l) CE of Zn||Ti half-cells with SA, GSA, and TCGSA gel electrolytes, and (m) specific capacity-voltage profiles of Zn||Ti half-cells with SA, GSA, and TCGSA gel electrolytes corresponding to the 9th cycle during the CE measurements.

Figure 5.(a) Binding energies of Zn2+-H2O, Zn2+-SA, and Zn2+-TCGSA. (b) Desolvation energies of [Zn(H2O)6]2+, [Zn(H2O)5-SA]2+, and [Zn(H2O)5-TCGSA]2+. (c) MD simulation snapshot of TCGSA, (d) RDF and coordination number of TCGSA. DOS patterns of (e) [Zn(H2O)5-SA]2+ and (f) [Zn(H2O)5-TCGSA]2+. (g) Arrhenius curves and activation energy in SA and TCGSA.

Figure 6.(a) Schematic illustration of the structure of TCGSA ZIBs. (b) Long-term cycling performance and CE of SA, GSA, and TCGSA full cells at a current density of 2 A·g–1. (c) Ex situ optical micro-graphs of cross-sectional growth evolution of Zn anodes in SA, GSA, and TCGSA full cells after cycles. (d) Rate capability, (e) cycling performance at 0.1 A·g–1, (f) GCD curves of the TCGSA full cell. (g) CV curves of SA, GSA, and TCGSA full cells. (h) Current density distribution of SA and TCGSA gel electrolytes' deposition process simulated by COMSOL at 0 and 12 h.

Figure 7.(a1) Voltage measurement results and (a2) photograph of a small fan driven by using the Zn|TCGSA|MnO2 cell. The germination of soybean seeds in the soaking solutions (b) TCGSA and (c) GSA gel electrolytes. (d) Comparison between estimated full-cell material costs and capacity-normalized costs of representative gel electrolyte systems.

小结

利用TCGO、ER和SA合成了用于ZIBs的一种新型TCGSA凝胶电解质，并发现了TiO?用量与电池容量之间的线性关系。采用TCGSA凝胶电解液的对称电池在0.5 mA·cm–2和0.5 mAh·cm–2条件下，循环寿命超过1200 h，电化学工作窗口扩展至2.41 V，tZn2+值为0.917。采用 TCGSA 电解液的软包电池最大容量达到 483 mAh·g?1，在 2 A·g?1 条件下循环 1900 次后仍保持 75.83 mAh·g?1。光学显微镜观察表明，基于 TCGSA 的电池中 Zn 负极上的 Zn 枝晶生长被显著抑制。这与 COMSOL 对电极界面均匀通量的模拟结果一致。TCGSA有效调控了Zn2?的迁移，抑制了寄生副反应及锌枝晶的形成。TCGO中丰富的游离–COOH基团在SA中提供了有效的Zn2?传输位点和导电通道，从而提高了离子电导率；而TCGSA的强亲水性则优化了Zn2?的溶剂化环境，并降低了脱溶剂化的能垒。其结构和表面性质的综合优势不仅确保了凝胶电解液中高效的离子传导，还通过调控Zn2?的溶剂化-脱溶剂化过程，稳定了电极与电解液之间的界面。TCGSA能够同时降低Zn腐蚀和树枝状晶体成核的热力学驱动力，从而进一步巩固了其长期电化学稳定性。根据原材料成本评估，基于TCGSA的Zn||MnO?电池具有良好的经济竞争力，其整电池材料成本仅为0.10美元，容量归一化成本仅为0.026美元/mAh。本研究为在先进的准固态锌离子电池（ZIBs）中设计多功能多糖基凝胶电解质提供了一种可持续且经济高效的策略。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsami.6c16844

信息来源：材料分析与应用1

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日 中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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