酸性水凝胶实现高能准固态锌锰电池全周期Mn2+/MnO2转化
南京大学李朝威团队针对柔性水系锌锰（Zn-MnO₂）电池 “能量密度低（MnO₂单电子反应局限）、酸性环境下锌阳极析氢严重、循环稳定性差、柔性适配性不足” 的核心瓶颈，创新开发了聚（2 - 丙烯酰胺 - 2 - 甲基丙磺酸）/ 聚丙烯酰胺（PAMPS/PAM）酸性水凝胶电解质，并搭配聚合物包覆锌阳极（P-Zn）。通过水凝胶的 “质子库” 功能稳定酸性微环境，激活 MnO₂的 Mn²⁺/MnO₂双电子 redox 反应，同时 P-Zn 抑制析氢副反应，实现高电压、高能量密度与超长循环的协同，为下一代柔性可穿戴电子设备提供了高性能储能解决方案。
本文的核心创新在于“酸性质子库水凝胶激活 MnO₂双电子反应 + P-Zn 阳极抑制析氢” 的协同设计，打破了 Zn-MnO₂电池 “能量密度低 - 酸性腐蚀严重” 的固有矛盾，其科学意义与技术价值体现在：
方法创新：首次通过 AMPS 与 AM 共聚构建 “聚合物质子库”，实现质子的稳定供给与缓释，避免传统酸性电解质的质子流失与 pH 波动；P-Zn 双重包覆层精准解决酸性环境下的析氢问题，无需牺牲离子传输效率；
机制突破：明确三重核心机制——① -SO₃H 基团提供持续质子源，稳定酸性微环境激活 Mn²⁺/MnO₂双电子反应；② 负电 - SO₃⁻基团构建高效阳离子传输通道，提升离子导电与迁移数；③ P-Zn 包覆层物理隔离 H⁺与锌表面，抑制 HER 与腐蚀，协同保障电池长循环；
性能突破：电池综合性能居同类领先水平——1.9 V 高电压、762.6 Wh/kg 高能量密度、1000 次超长循环，同时具备柔性适配能力，解决了 “高能量 - 长寿命 - 柔性” 的三重需求；
图1（a）不同AMPS浓度的PAMPS/PAM水凝胶的FTIR光谱；b)PAMPS/PAM水凝胶组装的Zn||MnO2电池前驱体溶液的pH值和OCV；c)Zn||MnO2电池的GCD曲线；d)不同水凝胶的I-V特性；e)不同水凝胶的离子电导率和阳离子迁移数；f)锌||锌对称电池极化前后的极化曲线和电化学阻抗谱；g)PAMPS/PAM基Zn||MnO2电池的第二GCD曲线；h)XPS Mn2p；i)XPS O 1s；j)代表BW、IW和FW的水分子的拉曼光谱。
图2(A)不同电解液的OER曲线；b)不同电极/电解液体系中的Her曲线；c)Tafel图；d)Le+Zn，e)PAMPS/PAM+Zn，以及f)PAMPS/PAM+P-Zn；g)析氢体积分布；h)Zn|Zn对称电池在1 mA cm−2，0.5 mAhcm−2下的循环性能；i)Zn|Cu不对称电池的库仑效率。
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图3(A)循环伏安曲线；b)GCD曲线；c)在不同水凝胶中静置48小时的循环伏安曲线；d)PAMPS/PAMS水凝胶在0、50和100次循环后的循环伏安曲线；e)PAMPS/PAMM水凝胶在特定循环中的GCD曲线；f)5A g−1时的CE曲线；g)10A g−1时的循环性能；h)制造的电池和以前报道的电池的电化学性能
