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作者、研究机构及发表信息

该研究由Guanjie Li、Zihan Zhao、Shilin Zhang等多名作者共同完成，主要研究机构包括澳大利亚阿德莱德大学化学工程学院、同济大学医学院皮肤病研究所、澳大利亚同步辐射中心等。研究于2023年10月8日发表在《Nature Communications》期刊上，文章标题为“A biocompatible electrolyte enables highly reversible Zn anode for zinc ion battery”。

学术背景

该研究属于电化学与能源存储领域，特别是水系锌离子电池（Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZMBs）的研究。水系锌离子电池因其使用安全、低成本的水系电解质以及锌金属的高理论容量（820 mAh g⁻¹）而备受关注。然而，锌阳极在循环过程中存在不可逆问题，如锌枝晶生长、副反应（如析氢反应）等，这些问题严重影响了电池的循环稳定性和寿命。为了解决这些问题，研究者提出了一种基于透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）的生物相容性水凝胶电解质，旨在通过调控锌的沉积行为，提升电池的性能。

研究流程

1. 电解质制备
   研究者使用透明质酸（HA）与ZnSO₄水溶液混合，制备了HA凝胶电解质。通过调整HA的浓度（6.0 wt%、15.0 wt%、30.0 wt%），研究了电解质在不同水含量下的机械强度和离子电导率。实验结果表明，6.0 wt% HA的电解质在离子电导率和机械强度之间取得了最佳平衡。

2. 物理化学性质表征
   研究者通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、分子动力学模拟（MD）等方法，分析了HA凝胶电解质的分子结构和氢键网络。结果显示，HA分子与水分子之间形成了强氢键，有效抑制了水的活性，减少了副反应的发生。

3. 电化学性能测试
   研究者组装了Zn//Zn对称电池和Zn//Cu非对称电池，测试了HA凝胶电解质的电化学性能。结果表明，使用HA凝胶电解质的电池在1 mA cm⁻²的电流密度下，能够稳定循环超过5500小时，库仑效率高达99.71%。此外，HA凝胶电解质在高锌利用率（80% DOD）下，仍能保持250小时的循环寿命。

4. 锌沉积行为研究
   通过循环伏安法（CV）、计时电流法（CA）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究者详细研究了锌在HA凝胶电解质中的沉积行为。结果显示，HA凝胶电解质能够调控锌的成核和生长，形成均匀且致密的锌沉积层，有效抑制了锌枝晶的生长。

5. 生物相容性测试
   研究者使用WST-1细胞增殖和细胞毒性检测试剂盒，评估了HA凝胶电解质的生物相容性。实验表明，HA凝胶电解质对人类表皮角质形成细胞（HEKn）和小鼠巨噬细胞（RAW 264.7）的细胞活力无显著影响，证明了其良好的生物相容性。

6. 实际应用测试
   研究者组装了Zn//LiMn₂O₄（LMO）软包电池，测试了HA凝胶电解质在实际应用中的性能。结果显示，使用HA凝胶电解质的电池在3 C的电流倍率下，经过1000次循环后，容量保持率仍高达82%。此外，研究者还展示了柔性Zn//LMO电池在不同机械变形状态下的稳定性能。

主要结果

1. HA凝胶电解质的优异性能
   HA凝胶电解质表现出优异的抗腐蚀能力和锌沉积调控能力，显著提升了电池的循环稳定性和库仑效率。实验数据显示，Zn//Zn对称电池在1 mA cm⁻²的电流密度下，能够稳定循环超过5500小时，库仑效率高达99.71%。

2. 锌沉积行为的调控
   HA凝胶电解质通过形成强氢键，有效抑制了水的活性，减少了副反应的发生。同时，HA分子能够调控锌的成核和生长，形成均匀且致密的锌沉积层，有效抑制了锌枝晶的生长。

3. 生物相容性
   HA凝胶电解质对人类表皮角质形成细胞和小鼠巨噬细胞的细胞活力无显著影响，证明了其良好的生物相容性，适用于可穿戴和植入式设备。

4. 实际应用性能
   Zn//LiMn₂O₄软包电池在3 C的电流倍率下，经过1000次循环后，容量保持率仍高达82%。此外，柔性Zn//LMO电池在不同机械变形状态下仍能保持稳定的性能。

结论

该研究提出了一种基于透明质酸的生物相容性水凝胶电解质，通过调控锌的沉积行为，显著提升了水系锌离子电池的循环稳定性和库仑效率。HA凝胶电解质不仅具有优异的电化学性能，还表现出良好的生物相容性，适用于可穿戴和植入式设备。该研究为开发高性能、生物相容的锌离子电池提供了新的思路和方法。

研究亮点

1. 创新的电解质设计
   研究者首次将透明质酸引入水系锌离子电池的电解质中，通过形成强氢键，有效抑制了水的活性，减少了副反应的发生。

2. 优异的电化学性能
   HA凝胶电解质显著提升了电池的循环稳定性和库仑效率，Zn//Zn对称电池在1 mA cm⁻²的电流密度下，能够稳定循环超过5500小时。

3. 良好的生物相容性
   HA凝胶电解质对人类表皮角质形成细胞和小鼠巨噬细胞的细胞活力无显著影响，证明了其良好的生物相容性，适用于可穿戴和植入式设备。

4. 实际应用潜力
   Zn//LiMn₂O₄软包电池在3 C的电流倍率下，经过1000次循环后，容量保持率仍高达82%，展示了其在柔性电子设备中的广泛应用潜力。

其他有价值的内容

研究者还通过分子动力学模拟和密度泛函理论（DFT）计算，深入分析了HA凝胶电解质对锌沉积行为的调控机制，为后续研究提供了理论依据。此外，研究者还展示了柔性Zn//LMO电池在不同机械变形状态下的稳定性能，进一步验证了HA凝胶电解质在实际应用中的潜力。