《Progress in Materials Science》：Molecular design and structural Hybridization of hydrogel electrolytes toward High-Performance Zn-Based energy storage devices under extreme conditions
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Zn基能源存储器件在极端环境下的应用潜力与水凝胶电解质设计研究。通过系统分析水凝胶电解质在超高温/低温、高机械应力、强腐蚀性及高湿度等复合极端条件下的结构-性能关系，提出多维度协同优化策略。研究揭示水凝胶电解质通过氢键网络调控离子传输动力学，界面合成人工固态层（SASL）抑制枝晶生长，但其机械强度与长循环稳定性仍需提升。未来需开展多因素耦合作用机理研究，开发复合改性策略以满足极端场景下高功率、高安全、长寿命储能器件的需求。
郭帅|石立通|高新月|任白豪|杨亚静|高明|郭晓文|何林如|班金金|刘帆帆|曹国琴|S.Ravi P. Silva|胡俊华
郑州大学材料科学与工程学院，中国郑州450001
摘要
随着人类活动向极端环境的扩展，确保稳定的能源供应已成为一个关键挑战。基于锌的储能设备显示出巨大的应用潜力。然而，传统电解质通常存在局限性，例如离子传输动力学缓慢以及在极端条件下的化学稳定性差，这迫切需要解决方案。水凝胶电解质结合了固体电解质和液体电解质的优点，对极端条件具有独特的适应性，代表了克服现有技术障碍的有希望的范例。在这篇综述中，我们系统地研究了水凝胶电解质在极端条件下的行为，总结了这些条件下的挑战和优化策略，并概述了未来的研究方向。我们进一步提供了如何为极端条件下的应用设计更好的水凝胶电解质的批判性理解。通过整合对不同极端条件的多角度分析，我们提出了一个用于开发多功能水凝胶电解质的综合框架。这篇综述旨在为相关领域的研究人员提供新的见解，并加速关键应用中的技术创新。
引言
快速的技术进步使人类能够探索以前未知的区域，包括极地地区、沙漠、深海甚至外太空。然而，这些区域的复杂和极端条件（超高温、超低温、机械冲击等）带来了重大挑战[1]。作为重要的能源供应系统，储能设备在这些极端环境中的性能至关重要，因为它直接影响各种设备的运行效率[2]。作为主流设备中电化学储能的核心技术，二次可充电电池已经变得占主导地位。其中，锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度和长循环寿命而在各个领域得到了广泛的研究和应用[3]。然而，LIBs存在安全隐患，包括机械强度低、泄漏和燃烧，这严重限制了它们在极端条件下的应用[4]。因此，研究人员正在寻求优先考虑安全性、环境友好性和适应恶劣环境能力的下一代储能解决方案。
最近，基于钠（Na）、镁（Mg）、铝（Al）和锌（Zn）的各种新兴储能系统引起了研究人员的广泛关注[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。其中，基于锌的储能设备，包括锌离子电池（ZIBs）、锌空气电池（ZABs）和锌离子混合电容器（ZIHCs），特别具有前景[10]、[11]、[12]。锌的这些内在优势使其具有潜力：（1）与水基电解质的高稳定性和兼容性，消除了与有机溶剂相关的易燃风险；（2）出色的理论比容量（820 mA h g?1）和低氧化还原电位（?0.76 V vs. SHE），使得可以开发出具有更高理论能量密度的设备；（3）充足的储备量（比锂多300倍以上），可以实现具有竞争力的成本[13]。因此，基于锌的储能设备被视为在各种极端条件下储能的有希望的解决方案，并且近年来发展迅速[14]。
特别是，极端条件对电解质有显著影响，电解质的性能直接影响离子迁移和电化学反应的效率，这凸显了开发高性能电解质的迫切需求[15]、[16]。例如，高温会加速液体蒸发并加剧与电极的界面副反应，从而降低稳定性。低温可能导致电解质冻结，严重损害其离子迁移性。极端湿度条件也会影响电解质的性能，尤其是在半开放式结构的ZABs中，如在干燥条件下H2O的快速挥发和高湿度环境中的电解质稀释[17]、[18]、[19]、[20]。此外，必须考虑化石燃料燃烧产生的CO2对电解质的不良影响，因为它会与碱性电解质反应形成碳酸盐，从而影响储能设备的使用寿命[21]。这些挑战严重限制了基于锌的储能设备在极端环境中的适用性。因此，为极端环境条件定制电解质的发展已成为水基锌储能系统实际应用的关键焦点。
水凝胶电解质结合了固体聚合物电解质的柔韧性和液体电解质的高离子导电性，代表了一类有前景的先进电解质（图1a）[22]、[23]、[24]。值得注意的是，凝胶网络含有丰富的官能团（如–OH、–COOH和?SO3H），这些官能团可以与水分子和溶质离子相互作用，有效调节离子传输、电解质-电极界面和氢键（HB）网络（表1）[25]。特别是，水凝胶电解质可以在电极界面形成合成的人工固体层（SASL），从而调节锌的沉积行为并抑制由水分子引起的腐蚀和氢气释放反应。这种高度的可设计性使水凝胶电解质能够在多个尺度上调节离子传输动力学和界面动力学，与传统液体电解质相比，在极端条件下的适用性更好。因此，水凝胶电解质是解决极端条件应用问题的有希望的电解质系统，研究人员在过去几年中进行了大量研究，相关报告的数量也在增加（图1b-r）。迄今为止，许多综述总结了水凝胶电解质在基于锌的储能设备方面的进展。然而，大多数综述主要关注在常规条件或单一极端条件下的分析，往往忽略了实际极端环境带来的复杂性和挑战[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。特别是，关于极端条件对凝胶网络结构的影响机制、先进的改性策略和耦合效应的全面综述还不够充分[31]、[32]、[33]、[34]。此外，还需要对实际应用中的复杂和多样化的极端条件进行多维度分析，以及水凝胶电解质的工业化潜力和可持续发展。
这篇综述详细介绍了水凝胶电解质在极端条件下的挑战和失效机制，同时对其结构-性能关系中的关键问题进行了深入分析。为了推进在这种苛刻环境下高性能水凝胶电解质的设计，需要进一步澄清几个关键方面：溶剂-溶质和聚合物分子结构相互作用对性能的影响；不同改性策略对凝胶网络和氢键网络的影响；聚合物分子水平上的结构-活性关系；以及有效平衡多种性能的机制。相应地，我们系统地总结了最近的进展和创新设计策略，特别强调了水凝胶电解质在极端条件下的结构、界面、机械和电化学性能，以及涉及的基本机制。最后，我们探讨了潜在的挑战、发展机会和未来方向，提出了适应各种极端实际场景的复合改性策略，从而指出了未来研究的重点方向。
章节摘录
为极端环境条件设计水凝胶电解质
面对极端环境带来的关键挑战，水凝胶电解质已成为一种有前景的解决方案，近年来在其应用方面的研究显著增加[35]、[36]。本节研究了极端环境条件（包括干燥、潮湿、低温/高温、高CO2浓度和高生物相容性要求）对水凝胶电解质的影响。同时，它还回顾了当前的先进改性策略
为极端机械条件设计水凝胶电解质
灵活的基于锌的储能设备在恶劣的操作条件下面临重大挑战，如完全变形、高强度冲击和长时间拉伸，这可能导致水凝胶电解质的断裂或完全破裂（图6a）。因此，极端服务条件对水凝胶电解质的机械性能提出了更高的要求[143]、[144]。同时，为了满足在长时间恶劣条件下的应用需求，水凝胶电解质需要为高功率应用设计水凝胶电解质
随着电气化的进步，现代电子设备正朝着更高的性能和小型化发展。在极端服务条件下运行的设备，如无人机、专用电源、救援机器人和军事应用，对储能系统提出了更高的要求，特别是对于高功率输出（图8a）[194]、[195]。因此，这对水凝胶电解质的性能提出了重大挑战，需要高离子结论与展望
作为先进的软电解质材料，水凝胶电解质由于其优异的离子导电性和机械柔韧性，使得基于锌的储能设备能够在各种场景中得到应用。为了满足复杂多变的极端服务条件，近年来已经开发了许多创新的水凝胶电解质设计和改性策略。这些进展使水凝胶电解质在各种具有挑战性的场景中表现出色
CRediT作者贡献声明
郭帅：撰写——综述与编辑、撰写——原始草稿、可视化、形式分析、概念化。石立通：撰写——综述与编辑、撰写——原始草稿、形式分析、概念化。高新月：资源获取、调查、概念化。任白豪：资源获取、调查、概念化。杨亚静：资源获取、调查、概念化。高明：资源获取、调查、概念化。郭晓文：资源获取、调查
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢河南省自然科学基金（232300421013）、国家自然科学基金（52171082、52403406）以及河南省科技厅（232301420001、241111232100、231111240500、241111221500、241111242100）的财政支持。
