南京大学金钟-李承辉团队《自然·通讯》：纳米相分离深共晶水凝胶电解质构筑比纸更薄的宽温域锌碘电池
在柔性可穿戴电子、智能织物、植入式医疗设备迅猛发展的浪潮下，对与之匹配的储能器件提出了前所未有的高要求：它们不仅需要高能量密度、高安全性、低成本，还必须具备卓越的机械柔性、超薄的外形以及适应复杂多变环境（如极端温度、弯折拉伸）的鲁棒性。水系锌金属电池（AZMBs）凭借锌金属负极的高理论容量（820 mAh g⁻¹）、本征安全性（水系电解质不易燃）、环境友好性和资源丰富性，被视为这一赛道极具潜力的候选者。
然而，通往理想柔性锌电池的道路上横亘着几座大山：传统液态电解质易泄漏、难以与柔性器件集成；其狭窄的电化学稳定窗口和工作温度范围限制了应用场景；而锌负极在反复沉积/剥离过程中难以抑制的枝晶生长，更是导致电池短路、寿命衰减的致命顽疾。采用水凝胶电解质替代液态电解质，是解决泄漏、提升机械适应性的有效途径。其中，基于聚乙烯醇（PVA）的经典水凝胶体系通过氢键网络锁住水分子，虽有一定效果，但其力学强度（常低于1 MPa）与离子电导率（常低于10 mS cm⁻¹）之间存在难以调和的矛盾。更关键的是，为维持足够的离子电导率而保留的大量“自由水”，严重削弱了电池的低温（易结冰）和高温（易失水）耐受性，且传统水凝胶膜厚度通常超过100微米，严重拉低了电池整体的体积/重量能量密度。
如何突破力学-电化学-环境稳定性之间的“不可能三角”，设计出同时具备超薄、强韧、宽温域、高离子传导且能有效调控锌沉积行为的水凝胶电解质，是柔性锌电池领域亟待攻克的核心科学难题。
2026年4月3日，南京大学金钟教授与李承辉教授团队在国际顶级期刊 《自然·通讯》（Nature Communications） 上发表了一项突破性研究成果，题为 “Thinner-than-paper and broad-temperature-adaptive zinc-iodine batteries enabled by nanophase separated deep-eutectic hydrogel electrolytes”（由纳米相分离深共晶水凝胶电解质实现的比纸更薄、宽温域自适应的锌碘电池）。该研究创新性地通过纳米相分离、水合共晶溶剂化与氢键网络的三重协同策略，构筑了一种前所未有的深共晶水凝胶电解质（deep-eutectic hydrogel electrolyte, DE-HE），并成功组装出总厚度仅42微米（比一张标准A4纸更薄）、可在-40°C至80°C超宽温域内稳定循环超过36,000次的柔性锌碘全电池。本文第一作者为沈天宇和陈宗举。
这项研究不仅展示了一种性能卓越的具体器件，更为设计下一代兼具高能量密度与极端环境耐受性的柔性电池提供了普适性的方法论框架。下面，我们将深入解读这一工作的精妙设计与卓越性能。
一、核心创新：三重协同策略破解综合性能瓶颈
团队的设计哲学并非对现有体系的简单修补，而是从分子、介观到宏观的多尺度协同创新：
纳米相分离构筑“刚柔并济”的力学骨架：
研究采用了一种巧妙的“溶剂交换”制备工艺（图1a）。首先在二甲基亚砜（DMSO）中溶解PVA和丙烯腈单体，加热引发丙烯腈原位聚合形成聚丙烯腈（PAN），再利用DMSO与深共晶电解液（由Zn(ClO4)₂、尿素衍生物UR和水组成）的互溶性进行交换。在此过程中，亲水的PVA相与疏水的PAN相自发组装成双连续、互穿网络的纳米相分离结构，相区尺寸精细至10-30纳米（图1d, e）。这种结构类似于大自然的“钢筋混凝土”，PVA提供柔性与水合环境，PAN提供刚性支撑与离子通道，从而在分子级别实现了力学增强。
深共晶溶剂化重构锌离子传输环境：
引入UR与Zn(ClO4)₂、水形成深共晶电解质体系是关键一步。光谱分析（图1b, c）证实，UR的酰胺基团与Zn²⁺发生强配位，并与体系中的水分子、ClO₄⁻阴离子形成致密的三维氢键网络。分子动力学模拟（图2h-l）深刻揭示了其微观机理：传统水合Zn²⁺被6个水分子包围；而在深共晶体系中，UR和PAN的氰基（-C≡N）参与配位，将Zn²⁺的第一溶剂化鞘层水分子数从6个大幅减少至3个以下。这种“去水化”的溶剂化结构，一方面大幅提升了Zn²⁺的迁移数（达到0.65），另一方面显著降低了水分子的活度，抑制了副反应。
氢键网络“锁水”保障宽温域稳定性：
丰富的氢键网络（来自PVA的羟基、UR的酰胺基、水分子、阴离子）将体系中的水分子高度“固定”，使其难以自由移动形成冰晶或蒸发。差示扫描量热（DSC）和流变测试（图2e-g）证明，该水凝胶的玻璃化转变温度低至-85.7°C，且在-40°C至80°C范围内未出现明显的冰晶熔融或水分蒸发吸热峰，表现出卓越的热稳定性。
二、性能突破：从材料到器件的全面卓越
这种三重协同设计产生了“1+1+1>3”的效应，在各项关键性能指标上实现了全面突破：
超凡的力学性能：断裂强度高达4.1 MPa，断裂应变达752%，韧性达13.66 MJ m⁻³，远超绝大多数报道的水凝胶电解质。团队甚至成功制备出厚度仅6微米的超薄膜（图2c），可轻松提起2.2公斤重物（图2d），展示了其作为超薄、承重部件的潜力。
优异的离子传输与界面特性：在20°C下，Zn²⁺电导率达到28.2 mS cm⁻¹，Zn²⁺迁移数达0.65。即使在-40°C的极寒环境下，电导率仍保持1.7 mS cm⁻¹，足以支持电池正常工作。Zn电极与该电解质的界面阻抗极低，仅为238.22 Ω。
出色的枝晶抑制与沉积调控：
- 电化学性能：Zn||Zn对称电池在0.5 mA cm⁻²/0.5 mAh cm⁻²条件下稳定循环超过4200小时，极化电压始终低于100 mV。在-40°C和80°C下也分别能稳定运行800小时以上。
- 机理揭示：通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析发现，使用DE-HE的锌沉积，其(002)晶面衍射强度显著增强（图4e），表明锌倾向于沿平行于电极表面的(002)晶面水平生长，形成致密平整的沉积层（图4f）。相反，液态电解质中则利于垂直方向的(101)晶面生长，形成枝晶（图4g）。这归因于：微观上，PAN的氰基为Zn²⁺提供了定向传输通道；宏观上，水凝胶的高模量对枝晶的垂直生长产生了物理压制作用，共同引导了锌的（002）晶面择优生长。
全电池性能：超薄、柔性、长寿命：
基于此DE-HE组装的Zn||I₂全电池，总厚度仅42微米，展现出极佳的柔性（可承受180°反复弯折）。其在-40°C至80°C的超宽温度范围内，实现了超过36,000次的超长循环寿命，且容量保持率优异。电池的质量能量密度达到108.99 Wh kg⁻¹，处于柔性锌电池的领先水平。
三、意义与展望：为下一代柔性电池树立新标杆
南京大学团队的这项工作，超越了以往针对单一性能（如机械强度或离子电导率）的优化思路，通过多尺度的协同设计，系统性、一体化地解决了柔性锌电池面临的机械可靠性、电化学稳定性、环境适应性与能量密度之间的多重矛盾。
- 方法论创新：该研究融合了分子设计（引入UR构建深共晶与氢键网络）、相调控（构建纳米相分离结构）与工艺工程（溶剂交换法），为开发高性能聚合物基电解质提供了一个可借鉴的通用框架。
- 性能标杆：它将水凝胶电解质的综合性能提升到了一个新高度，特别是在超薄厚度与极端温度适应性的结合上，为在严寒地区、高温环境或空间受限的尖端可穿戴设备中应用柔性电池打开了大门。
- 应用前景：这种比纸还薄、既强韧又耐温的电池，有望无缝集成到智能服装、电子皮肤、可植入器件、柔性显示器中，为真正自供电的柔性电子系统提供持久、安全、可靠的能量来源。
结论
随着柔性电子形态的不断演进，对其“能量心脏”——电池的要求也日益严苛。南京大学金钟、李承辉教授团队发表在《自然·通讯》上的这项成果，代表了一条通向未来理想柔性储能器件的清晰路径。它证明，通过精妙的跨尺度材料设计与协同，可以打破传统材料体系的性能桎梏，创造出能够同时满足“薄如纸、韧如丝、导如电、稳如山”近乎苛刻要求的储能新材料。
这项研究不仅是一项实验室的重大突破，更向产业界发出了强有力的信号：兼具高能量密度、超长寿命和全环境耐受性的柔性电池并非遥不可及。它为我们勾勒的未来是：无论身处冰天雪地还是烈日炎炎，我们所穿戴的智能设备，其内在的“能量之源”都能如同我们的皮肤一样，柔韧自适应，持久而可靠地工作。柔性电子的新时代，正呼唤着这样的能源解决方案，而这项研究，正是通向那个未来的一块坚实基石。
Figure 1.设计、制备与表征。（a）通过溶剂交换过程制备深共晶水凝胶电解质的流程图。（b–c）深共晶水凝胶电解质、深共晶液态电解质、非共晶水凝胶电解质、非共晶液态电解质、UR和Zn(ClO4)2的（b）衰减全反射傅里叶变换红外光谱和（c）拉曼光谱。（d–g）深共晶水凝胶电解质的（d）扫描电镜图像、（e）原子力显微镜图像、（f）X射线衍射图谱和（g）小角X射线散射图谱。（g）中的插图为深共晶水凝胶电解质的二维小角X射线散射图谱。
Figure 2.力学性能与温度耐受性。（a）深共晶水凝胶电解质和非共晶水凝胶电解质的拉伸-应变曲线、（b）弹性模量和韧性。（c-d）厚度为6 μm的深共晶水凝胶电解质提起重物的照片。（e-f）各种电解质在（e）低温和（f）高温范围内的差示扫描量热曲线。（g）深共晶水凝胶电解质和非共晶水凝胶电解质的G'和G''的温度依赖性。（h）深共晶水凝胶电解质的分子动力学模拟快照和（i）相应的Zn2+溶剂化结构。（j-l）通过分子动力学模拟计算的各种电解质中的（j）水分子间氢键数量、（k）径向分布函数和配位数以及（l）Zn2+扩散系数。
Figure 3.电化学性能。（a）深共晶水凝胶电解质、深共晶液态电解质、非共晶水凝胶电解质和非共晶液态电解质在不同温度下的（a）离子电导率、（b）Zn2+迁移数和（c）界面阻抗。（d-h）Zn||Zn对称电池的（d）倍率性能、（e）Tafel曲线以及在（f）20 °C、（g）−40 °C和（h）80 °C下的恒流循环稳定性。（i）深共晶水凝胶电解质与近期报道的其他水凝胶电解质在断裂强度、离子电导率、电化学稳定窗口和低/高温耐受性方面的性能比较。
Figure 4.锌沉积/剥离行为。（a-b）分别用深共晶水凝胶电解质和深共晶液态电解质组装的Zn||Cu半电池的（a）电位-时间曲线及（b）其放大视图。（c-d）分别用深共晶水凝胶电解质和深共晶液态电解质组装的Zn||Cu半电池的（c）初始锌沉积过程中的电压曲线和（d）循环伏安曲线。（e-g）从经过锌沉积/剥离过程后的Zn||Zn对称电池中取出的锌电极的（e）X射线衍射图谱以及（f-g）扫描电镜图像：（f）深共晶水凝胶电解质，（g）非共晶液态电解质。
Figure 5.锌金属电池的电化学性能。（a）基于深共晶水凝胶电解质的比纸还薄的Zn||I2电池的示意图。（b）Zn|深共晶水凝胶电解质|I2电池和Zn|深共晶液态电解质|I2电池在0.5至10 A g−1电流密度下的倍率性能。（c-e）Zn||I2电池在5 A g−1电流密度下于（c）20 °C、（d）−40 °C和（e）80 °C的长期循环稳定性。（f）Zn|深共晶水凝胶电解质|I2电池、Zn|深共晶水凝胶电解质|V2O5电池与其他近期报道的锌金属电池在比能量和体积能量密度方面的比较（基于整个软包电池组装计算）。
文章信息：
Tianyu Shen#, Zongju Chen#, Yongxin Yang, Qianchuan Yu, Jingyi Wang, Kexin Hou, Wei Meng, Junchuan Liang, Yiming Yang, Hongguang Liu, Zuoxiu Tie, Chenghui Li*, Zhong Jin*. Thinner-than-paper and broad-temperature-adaptive zinc-iodine batteries enabled by nanophase separated deep-eutectic hydrogel electrolytes. Nature Communications, 2026
链接地址：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71312-3
作者信息：
金钟，南京大学化学化工学院教授、博导，现担任南京大学绿色化学与工程研究院执行院长、天长新材料与能源技术研发中心主任、绿色能源催化与智能化学工程江苏省高校重点实验室主任，先后入选了国家海外青年人才、优青、国家级领军人才。主要研究领域是清洁能源材料及绿色化学化工技术，已在Nature Chem.、Nature Commun.、JACS、ACIE等学术期刊发表SCI论文>340篇，他引>27000次，H因子89，连续5年入选Clarivate全球高被引科学家及Elsevier中国高被引学者。荣获了国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖二等奖、中国商业联合会全国服务业科技创新奖二等奖、江苏省科学技术奖三等奖、江苏省教育教学与研究成果二等奖、江苏省首届创新争先奖、华为公司“火花奖”、英国皇家化学会“地平线奖”等奖励和荣誉。主持了国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金、教育部联合基金、江苏省“碳达峰碳中和”科技创新专项、江苏省重点成果转化专项、江苏省杰出青年基金等科研项目。目前担任江苏省化学化工学会理事兼青年工作委员会主任、江苏省能源研究会常务理事、江苏省材料学会理事、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、多个SCI学术期刊编委会成员等学术任职。
李承辉，南京大学化学化工学院、配位化学国家重点实验室教授，博士生导师。2002年获南昌大学工学学士学位（专业：环境工程），2007年获南京大学理学博士学位（专业：无机化学）。2005年6月-2006年6月以及2008年6月-2008年12月在香港大学化学系做研究助理。2013年1月-2014年1月在美国斯坦福大学化学工程系做访问学者。主要从事功能配位化学领域的研究工作。2017年获江苏省自然科学基金杰出青年基金。2019年入选国家级青年人才。2024年获国家杰出青年科学基金。
沈天宇，2025年获南京大学博士学位，师从金钟教授和何平教授，现任职于宿州学院化学化工学院，主要研究领域是新能源材料与柔性电子器件的设计开发。参与国家自然科学基金面上项目“多价离子二次电池”、江苏省基础研究计划重点项目“低成本高安全长寿命的水系锌-有机液流电池关键材料体系及界面电化学调控机制研究”等多项与新能源、电池相关的国家或省部级重点科研项目，累计发表SCI论文19篇，他引>300次，H因子8，其中以第一作者在国际顶级期刊Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv, Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett.上发表相关研究论文6篇；申请发明专利3项。
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