柔性鋅離子電池需兼顧安全性與形變適應性，而傳統(tǒng)液態(tài)電解質易泄漏且難集成。天然多糖基水凝膠雖具生物相容性優(yōu)勢，但普遍存在機械強度弱（通常＜1 MPa）、離子電導率低（＜10 mS cm?1）的缺陷。現有改性方案依賴合成聚合物或納米填料，又犧牲了環(huán)境友好性。

物理-化學雙網絡協(xié)同

長安大學茍蕾教授、樊小勇教授團隊開發(fā)的全生物基水凝膠電解質Phos-XK，通過精準調控磷酸單酯（MPE）與雙酯（DPE）比例，攻克了天然聚合物電解質機械強度與離子電導率難以兼得的行業(yè)難題。

柔性鋅離子電池的發(fā)展長期受限于傳統(tǒng)液態(tài)電解質泄漏風險及天然水凝膠的"雙低"困境——機械強度普遍低于1 MPa，離子電導率不足10 mS cm?1。現有改性方案依賴合成聚合物或納米填料，卻犧牲了環(huán)境友好性。該團隊創(chuàng)新性地采用"物理交聯筑基，磷酸化定向優(yōu)化"策略（圖1）：首先在65℃下通過魔芋葡甘聚糖（KGM）與黃原膠（XG）的螺旋-線團轉變形成氫鍵網絡骨架（XK水凝膠），進而引入磷酸基團并通過檸檬酸精準調控MPE（離子通道）與DPE（交聯錨點）比例為1:2.7，形成類斜拉橋結構——DPE如"鋼索"強化機械穩(wěn)定性，MPE似"高速路"加速離子遷移。

圖 1.Phos-XK-1 水凝膠電解質的全面圖示。

雙優(yōu)指標與超穩(wěn)循環(huán)

Phos-XK-1展現出卓越的綜合性能（圖2）：拉伸強度達2.524 MPa（較基礎XK提升73%），離子電導率20.72 mS cm?1（為液態(tài)電解質3.6倍），居生物基水凝膠前列。其磷酸酯基團賦予優(yōu)異阻燃性，10天開放環(huán)境保水率達59.7%。電化學性能更為突出：Zn//Zn對稱電池在0.5 mA cm?2下穩(wěn)定運行3000小時，5 mA cm?2高倍率循環(huán)超800小時；Zn//Cu電池庫侖效率達99.45%且保持1200周，遠超文獻值。理論計算揭示性能提升根源（圖3）：MPE的P=O/P-O?基團靜電勢為負，與Zn2?結合能（5.07 eV）顯著高于水合鋅離子（3.77 eV），有效競爭溶劑化鞘；[Zn(H?O)?(MPE)]2?脫水電勢僅需0.21–1.93 eV，較[Zn(H?O)?]2?（0.39–3.76 eV）大幅降低。COMSOL模擬證實其使離子濃度場與電場分布高度均一，從根源抑制枝晶。

圖 2.Phos-XK-1 水凝膠電解質的基本性質表征。

圖 3.Phos-XK-1 水凝膠中磷酸酯改性機理的理論計算。

獨特界面調控機制

實驗驗證了獨特界面調控機制（圖4）：計時電流法顯示Zn2?在50秒內切換至3D擴散模式（電流穩(wěn)定于7.2 mA），而液態(tài)電解質需500秒；原位拉曼顯示SO?2?峰強度恒定，印證離子通量均勻；顯微觀測證實鋅沉積層平整致密，激光共聚焦顯示表面粗糙度極低。

圖 4.Phos-XK-1 水凝膠機制的實驗研究。

柔性集成

該材料更成功應用于柔性場景（圖5）：Zn//MnO?全電池在0.2 A g?1下容量137.45 mAh g?1，2000周循環(huán)容量保持70%；180°彎曲50周后容量保持94.9%，腕帶電池可穩(wěn)定供電。其生物相容性突出：與成纖維細胞、巨噬細胞共培養(yǎng)72小時存活率無顯著差異；微生物環(huán)境下10天完全降解為葡萄糖醛酸，環(huán)境毒性為零。該研究通過分子設計實現天然聚合物性能躍升，為柔性電子提供兼具20.72 mS cm?1離子電導、2.5 MPa強度、3000小時循環(huán)壽命的可降解電解質新方案。

圖 5.驗證 Phos-XK-1 水凝膠電解質在柔性鋅離子電池中的有效性、生物相容性和生物降解性。

來源：高分子科學前沿