科学网—吉林大学杨春成/张红/鹿可等综述：配位-熵调控框架，宽温锌离子电池水凝胶电解质的统一设计
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2026-7-25 19:15
| 系统分类: 论文交流
Coordination–Entropy Regulation: Toward Unified Design of Hydrogel Electrolytes for Practical Wide Temperature Zinc Ion Batteries
Cong Wang, Hong Zhang*, Peng Wang, Ke Lu*, Chun Cheng Yang*, Qing Jiang
Nano-Micro Letters (2026)18: 422
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02293-7
本文亮点
1. 系统梳理了宽 温水凝胶电解质 的失效机制： 从低温结冰、氢键网络有序化和Zn²⁺强水合，到高温失水、界面副反应与结构退化，揭示了离子传输、 溶剂化热力学 和界面动力学之间的耦合关系。
2. 提出了配位–熵调控统一框架： 配位调控重构了Zn²⁺局部溶剂化环境并调节界面脱溶剂化过程；熵调控则增加了离子构型、氢键状态、网络构象和传输路径的可达性，从而提升了宽温适应性。
3. 构建了从材料设计到实际应用的多尺度路线： 系统总结了聚合物、锌盐、共溶剂、功能填料及集成调控策略，探讨了原位表征、理论模拟、高载量电极、软包电池和真实宽温工况等未来研究方向。
研究背景
水系锌离子电池因锌资源丰富、理论容量高、安全性好以及水系电解液不可燃等优势，被认为是面向大规模储能和柔性电子的重要候选体系。然而，传统液态水系电解液中活性水含量高、Zn²⁺水合强度大，容易在锌负极侧引发析氢、腐蚀、副产物沉积和枝晶生长，在正极侧则可能导致活性物质溶解、结构退化及界面副反应。上述问题在宽温条件下进一步加剧：低温下，自由水结冰和氢键网络有序化会降低离子迁移能力，并强化Zn²⁺水合结构，使脱溶剂化和界面电荷转移更加困难；高温下，水分蒸发、凝胶收缩以及寄生反应加速，又会破坏电极/电解质界面的连续性和稳定性。因此，宽温水系锌电池并非只面临“抗冻”或“保水”问题，而是同时受到水状态、Zn²⁺溶剂化、聚合物网络和界面反应的共同制约。水凝胶电解质通过三维聚合物网络束缚水分子、调节氢键结构、参与Zn²⁺配位并改善电极界面接触，为解决上述问题提供了重要材料平台。然而，现有研究往往分别讨论聚合物网络、锌盐、共溶剂、填料和界面修饰，尚缺乏能够统一解释溶剂化热力学、离子传输和界面动力学之间关系的设计框架。
内容简介
针对宽温水凝胶电解质研究中材料策略分散、作用机制割裂以及缺乏统一设计逻辑的问题， 吉林大学杨春成教授、张红研究员、鹿可教授团队 首先从液态水系电解液出发，系统分析Zn²⁺强水合、脱溶剂化困难、水诱导副反应、界面副产物生成和离子通量不均之间的耦合失效过程，并进一步阐明水凝胶介质对负极界面和正极界面的调节作用。在此基础上，文章提出配位–熵调控框架，将Zn²⁺局部溶剂化化学、氢键网络演化、聚合物结构适应性和界面离子传输统一到同一设计逻辑中。其中，配位调控主要通过聚合物官能团、阴离子、共溶剂分子和填料表面位点改变Zn²⁺局部配位环境，在合适配位强度下削弱Zn²⁺–H₂O相互作用并促进界面脱溶剂化；熵调控则通过增加离子构型、氢键状态、网络构象和迁移路径的可达性，抑制低温下的有序结冰，并维持高温下的结构稳定与传输连续性。围绕这一框架，文章系统总结了聚合物体系、锌盐体系、共溶剂体系、功能填料以及多尺度集成调控策略，并进一步讨论原位/工况表征、分子动力学、密度泛函理论和多尺度模拟在揭示配位–熵耦合机制中的作用，为宽温、高安全和高能量密度水系锌离子电池提供机制导向的设计路线。
图文导读
从温度失效到统一设计：为什么需要配位–熵调控？
宽温水凝胶电解质并不是单纯面对“低温结冰”或“高温失水”两个孤立问题，而是同时受到水状态变化、Zn²⁺溶剂化结构、聚合物网络稳定性和电极界面反应的共同影响。低温下，水结晶和氢键网络有序化会削弱离子传输；高温下，水分蒸发和副反应加剧会破坏界面稳定。针对这一耦合难题，配位调控负责优化Zn²⁺局部作用环境和界面反应过程，熵调控负责提高体系在温度变化下的状态多样性和结构适应能力。二者共同将材料组成、离子传输、界面稳定和实际应用连接为统一的设计路线。
液态电解液为什么失效？—Zn²⁺强水合与水副反应形成恶性循环
在常规水系电解液中，Zn²⁺通常以高度水合状态存在。Zn²⁺到达电极界面后，需要先经历脱溶剂化才能参与沉积、剥离或嵌入反应。较强的Zn²⁺–H₂O配位会增加界面反应阻力，而活性水又容易引起析氢、腐蚀和局部pH变化。随着局部OH⁻积累，Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O等绝缘副产物会在电极表面沉积，堵塞离子通道并加剧电场和离子通量不均。表面突起处的电场集中又会促进枝晶生长，进一步扩大 活性表面积 和副反应程度。因此，液态电解液的失效并非来源于单一反应，而是形成了“强水合–脱溶剂化困难–水副反应–副产物沉积–枝晶生长”的自强化退化循环。理解这一基础过程，是解释水凝胶为何能够改善宽温稳定性的前提。
C–E框架的核心逻辑—配位调局部能量，熵调多尺度状态
C–E调控并不是把“配位”和“熵”两个概念简单并列，而是将水凝胶电解质中的局部相互作用和多尺度结构适应性联系起来。配位调控主要作用于分子尺度，决定Zn²⁺与水分子、阴离子、聚合物官能团之间的相互作用强弱，从而影响溶剂化结构、脱溶剂化能垒和界面电荷转移。熵调控则跨越分子、网络和传输尺度，通过增加离子构型、氢键状态、聚合物构象和迁移路径的可达性，提高体系在温度变化下的结构适应性与传输连续性。配位调控优化局部相互作用与界面反应路径，熵调控拓展体系可访问的结构与传输状态，二者协同实现宽温稳定运行。
多尺度集成调控——从单一策略到多功能协同设计
与单独调节聚合物、盐、共溶剂或填料不同，集成设计强调在同一体系中同时实现Zn²⁺溶剂化重构、氢键网络调节、离子传输优化、界面稳定和机械增强。例如，填料–盐–网络协同体系可通过阴离子配位重排、填料表面多位点相互作用和聚合物网络约束，构建多种动态可达的局部传输状态，从而避免离子传输集中和界面通量不均。进一步地，刚柔耦合、可回收网络和柔性软包验证等设计，也体现了水凝胶电解质从基础材料性能走向实际器件应用的趋势。因此，多尺度集成调控是全文从“策略分类”走向“系统设计”的关键环节，其目标不是单点性能提升，而是实现宽温、安全、柔性和可持续等多功能协同。
多尺度模拟——让C–E调控从概念走向可验证机制
为了进一步理解配位–熵调控如何影响宽温水凝胶电解质，多尺度计算模拟具有重要作用。DFT可用于比较不同配体与Zn²⁺的结合能、脱溶剂化能垒和电子结构，从分子尺度解释配位调控；MD模拟可揭示Zn²⁺配位数、径向分布函数、溶剂化团簇和氢键网络变化，用于描述构型熵和局部状态分布；COMSOL等有限元模拟则可进一步连接微观调控与宏观离子通量、浓度梯度和电场分布。通过多尺度表征与模拟结合，C–E调控才能从“概念框架”转化为可量化、可验证、可反向指导材料设计的方法体系。
总结与展望
总体而言，宽温水系锌离子电池水凝胶电解质的设计核心，不应停留在单一的抗冻、保水或力学增强，而应从Zn²⁺溶剂化结构、氢键网络、聚合物骨架和电极界面反应的协同调控出发。本文提出的配位–熵调控框架，为理解和设计宽温水凝胶电解质提供了统一思路。未来，该领域仍需进一步建立Zn²⁺溶剂化结构、脱溶剂化能垒和界面反应动力学之间的定量关系；发展原位/实时表征手段，揭示宽温条件下水状态、聚合物网络和界面层的动态演化；并推动水凝胶电解质在高载量电极、软包电池和实际宽温环境中的验证。随着配位化学、熵调控、多尺度模拟和先进表征技术的发展，水凝胶电解质有望从经验设计走向机制指导，为安全、耐久、宽温运行的水系锌离子电池提供重要支撑。
作者简介
张红
本文通讯作者
吉林大学 研究员
▍ 主要研究 领域
研究聚焦于能源存储与过程强化、水系锌电池和 金属硫电池 等方向
▍ 主要研究成果
吉林大学材料科学与工程学院研究员，2021年获上海交通大学博士学位。博士期间曾在美国Northern Illinois University与Argonne National Laboratory联合培养，2021-2024年先后在中国科学技术大学和哈尔滨工业大学从事博士后及助理教授工作，2024年12月入职吉林大学材料科学与工程学院。相关成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Acta Mater.、CCS Chem.等期刊，已发表SCI论文50余篇，主持国家及省部级项目10余项，获“昆承英才”科技创新创业领军人才、Nano Research Energy学术新星奖等荣誉。
▍ Email： zhanghongjlu@jlu.edu.cn
鹿可
本文通讯作者
吉林大学 教授
▍ 主要研究 领域
主要从事金属硫电池关键材料与界面研究
▍ 主要研究成果
吉林大学物理学院教授，2018年获山东大学博士学位，博士期间曾赴同济大学开展固态电池项目联合培养，师从黄云辉教授。2018-2020年在美国Northern Illinois University与Argonne National Laboratory从事博士后研究，2020-2025年任职于安徽大学，2026年2月入职吉林大学。相关成果发表于Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem.等期刊，已发表SCI论文105篇， H-index 为40。入选“江苏省姑苏创业领军人才”计划，并获RSC Nanoscale新锐科学家等荣誉。
▍ Email： luke@jlu.edu.cn
杨春成
本文通讯作者
吉林大学 教授
▍ 主要研究 领域
主要从事高性能离子电池及电催化材料方面的研究
▍ 主要研究成果
吉林大学材料科学与工程学院教授、副院长，吉林省首批“长白山学者”特聘教授，吉林大学“ 唐敖庆学者 ”领军教授。相关成果发表于Nat. Commun.、Mater. Sci. Eng. R.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊，已发表SCI论文130余篇，获授权国家发明专利25件。现任中国金属学会材料科学分会第八届委员会委员。
▍ Email： ccyang@jlu.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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