时高蓄电池通过添加磺酸基调控聚合物三维网络结构制备高导电性铝空气电池水凝胶电解质
基于密度泛函理论(DFT)计算表明磺酸基团可通过与水分子形成强氢键捕获水分子，本研究为铝空气电池设计了一种具有三维网络结构和大量磺酸基团的水凝胶电解质。采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)通过接枝共聚构建水凝胶的三维网络结构，并通过添加乙烯基磺酸钠(SVS)在网络结构上接枝大量磺酸基团，以解决水凝胶固有的低电导率问题。水凝胶电导率随M摩尔比升高而增加SVS:MAMPS，采用3M KOH溶液与去离子水制备、且具有最佳摩尔比MSVS:MAMPS= 1:6的水凝胶，其电导率分别为137 mS cm−1与156 mS cm−1分别较未添加SVS制备的水凝胶电导率提升了25.6%和19.2%。采用去离子水中制备的AMPS-SVS水凝胶作为电解质的铝空气电池，其峰值功率密度达到76.05 mW/cm²。2使用3M KOH溶液制备的AMPS-SVS水凝胶（74.77 mW/cm²）相比，该数值更高2本研究为构建高性能准固态铝空气电池提供了有价值的设计思路
引言
随着化石燃料的逐步枯竭和能源需求的日益增长，发展可再生绿色电力已成为研究热点。铝空气电池因其高能量密度、安全性、环境友好性和可再生特性而受到越来越多的关注。铝空气电池通过消耗铝阳极和空气中的氧气产生电能。铝的理论比能量高达8100 Wh/kg，其在地壳中的储量排名第三。铝空气电池被视为极具前景的下一代绿色能源[[1], [2], [3], [4]]。
铝空气电池主要由铝合金阳极、空气阴极和电解液组成。电解液的选择对铝空气电池的性能具有决定性影响。目前，铝空气电池主要采用NaOH或KOH等碱性水溶液作为电解液。碱性电解液会严重腐蚀铝阳极，导致铝阳极利用率降低、析氢以及电解液泄漏等问题[[5], [6], [7], [8], [9]]。为解决铝阳极腐蚀问题，在电解液中添加缓蚀剂是常用方法[10,11]。通常缓蚀剂通过两种方式发挥作用：吸附在铝阳极表面，或与H2O分子捕获H2O分子。Wu等人开发了一种高效的KOAc-KOH混合电解质。通过添加高浓度16M KOAc，醋酸根阴离子与K+离子协同作用，显著减少游离H2O分子数量并抑制铝阳极自腐蚀。该一体化铝空气电池展现出436.1 Wh kg−1的系统能量密度（对比85.8 Wh kg−1在常规电解液中）[12]。张等人提出，向4M KOH水溶液中添加1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯化物(HMIC)可抑制铝阳极腐蚀。他们认为HMIC分子覆盖铝阳极表面，形成保护层以阻止进一步腐蚀[13]。王等人研究了甘露醇对铝阳极腐蚀的抑制作用，认为电解液中的甘露醇分子或吸附在阳极表面的甘露醇分子会与H2O分子结合并阻止H2O分子靠近铝阳极，从而抑制腐蚀[14]。Wu等人提出一种方法，通过在电解液中添加低成本、富含羟基的蔗糖，使蔗糖分子与H2O分子间形成氢键，从而降低铝阳极的腐蚀速率[15]。Lv等人通过利用分子拥挤效应，使聚丙烯酸钠（PANa）与H2O分子形成氢键，成功减少了活性H2O分子的数量，显著抑制了HER反应[16]。
近期研究致力于探索以水凝胶电解质替代碱性水溶液电解质，以解决铝阳极腐蚀及电池弯折拉伸时电解液泄漏等问题。作为一种具有三维网络结构的新型半固态材料，水凝胶可在其内部储存大量水性电解质，起到液体储存库的作用[17]。采用水凝胶电解质不仅能防止泄漏问题[18,19]，还可有效缓解铝阳极的腐蚀[20]。然而，水凝胶电解质在铝空气电池应用中仍存在离子电导率偏低等问题[21]。
作为半固态电解质，水凝胶已成功应用于多种电池体系，包括燃料电池[[22], [23], [24]]、锂离子电池[[25], [26], [27], [28]]以及锌离子电池[29,30]。已有研究报道了水凝胶作为铝空气电池电解质的应用。Zhang等通过向KOH溶液中添加木质素磺酸钠(SL)与丙烯酸(CH2以丙烯酸（=CH-COOH，AA）为单体、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）为交联剂、过硫酸钾为引发剂制备水凝胶。该水凝胶被用作铝空气电池的电解质。研究表明，放电过程中铝阳极产生的Al3+离子通过与SL形成的配位键迁移至水凝胶电解质中，从而防止Al3+离子在阳极表面聚集及Al(OH)3从而实现了持续放电。采用AA-SL水凝胶组装的铝空气电池在1 mA cm<sup>−2</sup>电流密度下放电寿命延长了124.6%−2此外，该电池在56 mA cm<sup>−2</sup>放电电流密度下实现了46.3 mW cm<sup>−2</sup>的功率密度−2赵等[31]提出了一种抑制铝阳极腐蚀的策略：通过在8M KOH水溶液中制备聚丙烯酸(PAA)水凝胶，随后将该水凝胶浸入4M KOH水溶液形成双电解质体系用于铝空气电池。电化学测试结果表明，与单一液态或水凝胶电解质体系相比，双电解质铝空气电池具有显著延长的运行寿命、提升的放电容量以及增强的功率容量[32]。刘等−2采用冻融法对聚乙烯醇(PVA)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水凝胶进行物理交联，将其作为铝空气电池的电解质。由于PVP具有高亲水性，其引入增强了PVA电解质对电解液的吸收能力。使用PVA:PVP质量比为4:1、厚度为6mm的水凝胶电解质组装铝空气电池，两节该电池串联放电时可成功点亮40个LED灯[33]。Zhang等采用κ-卡拉胶（KC）作为添加剂制备杂化聚丙烯酸（PAA）水凝胶，可提升离子传导率与保水性能。与纯PAA水凝胶相比，KC改性水凝胶组装的铝空气电池展现出更长的放电持续时间[34]。Liu等通过将聚环氧乙烷（PEO）和N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）引入聚乙烯醇（PVA）基质，制备了PVA-PEO复合水凝胶。PEO的添加不仅提高了PVA的离子传导率，还改善了其延展性，有效缓解了水凝胶电解质与电极界面的接触不良问题。MBA的引入通过化学交联使PVA-PEO水凝胶形成非晶态结构，促进了离子扩散并提高了导电性。此外，丰富的C-O键能够锚定H氧分子有效抑制了铝阳极的腐蚀[35]。2O molecules, effectively suppressing the corrosion of the aluminum anode [35].
水凝胶电解质中水和KOH含量越高，其电导率越高。高含水量水凝胶可容纳更多K++离子和OH-−离子。因此，水凝胶电解质的高含水量是高电导率的先决条件。密度泛函理论计算表明，磺酸基团中的氧原子能与H2氧分子，因此磺酸基团具有极强的吸水能力。作为一种小分子化合物，乙烯基磺酸钠（SVS）分子含有磺酸基团。本研究采用SVS作为添加剂，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）作为单体，通过聚合反应合成了具有高导电性的水凝胶电解质（AMPS-SVS）。系统研究了添加剂SVS对水凝胶溶胀率、抗压强度和导电性能的影响。本研究还比较了在去离子水和3M KOH溶液中分别制备的水凝胶性能差异。采用AMPS-SVS水凝胶电解质组装了准固态铝空气电池，并探究了该铝空气电池的峰值功率密度和放电性能。
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