电池充放电时，电解质承担着传输带电粒子（离子）的作用。水凝胶是一种富含水、柔软且具有弹性的材料，可用作电解质，但它在电场作用下发生的收缩，可能使其与电极逐渐脱离，影响电池性能。研究团队以锌钠杂化电池为例子研究凝胶电解质的这一难点，设计了双层水凝胶结构，利用两层材料不同的形变特点，让靠近正极的一层补偿另一层的收缩，同时引入能够参与储能的成分。实验表明，这一设计有助于保持电极接触，提高电池容量和循环稳定性。

近期，我校工学部侯贤华团队联合深圳理工大学、中国科学院深圳先进技术研究院完成了上述研究，题为“Bilayer Hydrogel Electrolytes Regulate Electric-Field-Induced Deformation in Zinc–Sodium Hybrid Batteries”的研究论文发表于《Advanced Materials》。

可逆形变补偿稳定电极界面

团队在电池充放电过程中直接观察到，单层弱极性聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶向锌负极一侧收缩后难以恢复，导致正极材料的利用率降低。引入第二层强极性聚丙烯酸钠（PANa）水凝胶后，这一层能够随充放电发生可逆形变，即形状发生变化后还能恢复，补偿原有材料的收缩。两层材料的配合减轻了正极侧的接触损失，为电池反复充放电提供了更稳定的界面。

图1 双层水凝胶通过可逆形变维持与电极的接触

氧化还原活性电解质贡献额外容量

常规电解质主要负责传导离子，这项研究能使正极侧水凝胶能解决物理层面的电解质-电极材料失配问题之余，还能参与储能。原因在于研究人员在其中加入亚铁氰化钠，这一成分能够在充放电过程中可逆地释放和接纳电子，为电池贡献额外容量。因此，双层设计不仅改善了接触，也让电解质中的活性成分参与了充放电反应。

实验中，采用双层水凝胶的电池初始放电容量比单层体系提高约20%；经过500次充放电后，仍保留初始容量的93.5%。团队还将这一设计用于软包电池，验证了其在软包器件中的可行性。这项研究表明改善电池性能还需关注材料在充放电时能否持续贴合电极，通过将可逆形变与储能功能结合，该工作为水凝胶电解质的设计和电池界面调控提供了新的思路，同时该研究策略对同类电池的产业应用也具有一定的借鉴作用。

图2 双层水凝胶电池的容量、循环性能及软包器件验证

我校博士研究生周炜善为论文第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院甘河、成会明教授，深圳理工大学韩翠平助理教授，以及我校侯贤华教授为共同通讯作者，华南师范大学为第一署名单位。上述研究工作获得国家自然科学基金、广东省教育厅、广东省特支计划和广东省科技计划项目等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.75127