柔性穿戴设备早已融入日常，但你是否遇到过这样的困扰：智能手表续航半天就断电，寒冬户外耳机突然关机，运动时手环因弯折导致电量骤降？这些问题的核心，都指向了穿戴设备的 “心脏”—— 储能电池。
近日，香港城市大学团队在《Science Advances》发表的一项研究，为解决这些痛点带来了新希望。他们通过纳米流控工程技术，在水凝胶电解质中嵌入单壁碳纳米管（SWCNTs）构建 “离子高速公路”，打造出性能飞跃的 CPAM 复合电解质，让水系锌离子电池（AZIBs）同时具备超高功率、超长循环和耐低温特性，为柔性穿戴设备储能难题提供了突破性解决方案。
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一、传统电池的 “卡脖子” 难题：电解质拖了后腿
水系锌离子电池因安全性高、环境友好、理论容量大（820 mAh g⁻¹），一直被视为柔性穿戴设备的理想储能选择。但它的商业化进程，却被准固态聚合物电解质（QSPEs）这一关键部件牢牢限制。
传统水凝胶电解质（如聚丙烯酰胺 PAM、聚乙烯醇 PVA）存在三大致命缺陷：
离子传输慢：水合锌离子（[Zn (H₂O)₆]²⁺）在聚合物基质中需绕过缠结的分子链，路径曲折，且会与聚合物官能团发生库仑相互作用，导致离子电导率普遍低于 20 mS cm⁻¹，电池充电慢、功率低；
高电流易失效：大电流下，高速移动的离子会频繁撞击聚合物骨架，造成结构破裂，电池寿命大幅缩短；
低温 “罢工”：零下温度时，电解质中的水分冻结，离子传输几乎停滞，设备在寒冬根本无法使用。
正如研究中提到的，这些 intrinsic 传输瓶颈，让水系锌离子电池难以满足穿戴设备对 “快充、耐用、耐低温” 的核心需求。
二、创新设计：碳纳米管构建 “离子高速公路”
为破解传统电解质的困境，研究团队提出了 “纳米流体通道” 设计思路 —— 将单壁碳纳米管（SWCNTs）均匀嵌入聚丙烯酰胺水凝胶，制备出 CPAM 复合电解质。这一设计的核心，是为离子打造三条 “专属通道”，同时解决导电性、稳定性和耐低温问题。
1. 制备工艺：简单高效可规模化
团队通过 “阳离子表面活性剂分散 + 光聚合” 两步法实现 SWCNTs 的均匀嵌入：
先利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对 SWCNTs 进行非共价功能化，使其在 ZnSO₄水溶液中稳定分散，避免团聚；
再用 340 nm 紫外光引发丙烯酰胺单体原位聚合，将 SWCNTs 牢牢固定在水凝胶基质中，形成三维多孔网络结构。
整个过程无需复杂设备，4 分钟即可完成凝胶化，为后续规模化生产奠定基础。
2. 三大核心优势：导电性与稳定性双提升
CPAM 电解质的优势，源于 SWCNTs 与水凝胶的协同作用：
低摩擦离子通道：SWCNTs 的纳米管状结构（直径 1-2 nm）形成 “高速公路”，离子无需绕过聚合物缠结，迁移活化能降低 43%，离子电导率飙升至 30.3 mS cm⁻¹，比传统 PAM 提升 68%；若将 SWCNTs 定向排列，电导率还能进一步提升至 36.0 mS cm⁻¹；
动态脱溶剂化界面：SWCNTs 的疏水性会促使水合锌离子在穿过通道时部分脱去水分子，不仅减少了离子与聚合物的相互作用，还将电化学稳定窗口从 2.87 V 拓宽至 2.92 V，抑制副反应发生；
结构保护骨架：SWCNTs 如同 “钢筋”，支撑水凝胶结构，即使在 50 mA cm⁻² 的高电流下，电解质仍能保持完整，避免破裂。
对比传统 PAM 电解质中离子 “绕远路” 的曲折路径，CPAM 中 SWCNTs 构建的 “直通道”，让离子传输效率实现质的飞跃。
三、性能实测：打破多项纪录，适配穿戴场景
实验室测试数据显示，CPAM 电解质的性能全面超越传统方案，在循环寿命、快充能力、低温适应性和机械柔性上均打破纪录。
1. 超长循环：7000 小时稳定运行
在 Zn||Zn 对称电池测试中，CPAM 电解质展现出惊人的稳定性：
1 mA cm⁻² 电流下，电池可连续循环 7000 小时（约 292 天）而无明显衰减；
即使电流提升至 20 mA cm⁻²，仍能稳定运行 250 小时；
反观传统 PAM 电解质，在 10 mA cm⁻² 电流下很快就因结构破裂发生短路。
2. 超高功率：2000 次循环保留 80% 容量
将 CPAM 应用于 Zn||Zn₀.₂₅V₂O₅全电池，其快充能力同样出色：
电流密度从 1 A g⁻¹ 提升至 100 A g⁻¹（约 330 C，远超常规快充标准），电池仍能保持 33% 的容量；
40 A g⁻¹（133 C）高电流下循环 2000 次，容量 retention 率高达 80%，功率密度达到 19.2 kW kg⁻¹；
而传统 PAM 电池在相同条件下，不到 20 次循环就完全失效。
3. 耐低温：-15℃仍能稳定工作
针对穿戴设备的户外使用场景，研究团队还测试了 CPAM 的低温性能：
-15℃环境下，Zn||Zn₀.₂₅V₂O₅全电池可稳定运行 160 小时，容量保留 82%；
传统 PAM 电池在相同温度下，20 小时内就损失 70% 容量，根本无法正常使用。
4. 柔性适配：弯折后容量波动 < 3%
为验证其穿戴适用性，团队制备了 3×3 cm² 的软包电池：
经过反复弯折、折叠后，电池容量波动始终小于 3%，界面完整性良好；
同时，CPAM 的拉伸强度达到 736 kPa，比传统 PAM 提升 59%，足以应对日常运动中的形变。
四、机制揭秘：离子如何 “飙车”？三种传输模式
为弄清 CPAM 电解质的高效离子传输机制，研究团队通过分子动力学（MD）模拟和原位拉曼表征，发现了离子的三种传输路径：
聚合物缠结路径（常规路）：离子在 PAM 分子链间缓慢移动，速度仅 0.27 Å ps⁻¹，是最慢的路径；
碳纳米管表面滑移路径（快车道）：离子沿 SWCNTs 表面的动态水层滑移，借助水偶极子重排形成的各向异性通道，速度提升至 1.11 Å ps⁻¹；
碳纳米管管内隧穿路径（高速路）：离子在 SWCNTs 内部的一维通道中直线传输，速度高达 4.00 Å ps⁻¹，是常规路径的 15 倍，也是 CPAM 高导电性的核心来源。
原位拉曼测试还发现，当电流通过时，SWCNTs 的 G 带会发生～10 cm⁻¹ 的蓝移，证明 Zn²⁺确实通过 SWCNTs 通道传输，而非仅在聚合物中移动。
五、未来展望：穿戴设备储能的新方向
这项研究的意义，不仅在于突破了传统电解质的性能瓶颈，更在于为柔性储能器件的设计提供了新范式 —— 通过纳米流体工程构建 “物理离子通道”，实现导电性、稳定性与柔性的协同提升。
未来，随着碳纳米管制备成本的降低，CPAM 电解质有望在以下领域实现应用：
消费电子：为智能手表、耳机、柔性屏手机提供快充、长续航电池；
医疗设备：适配可穿戴心电监测仪、血糖仪等，在低温环境下稳定工作；
户外设备：为运动手环、便携式传感器提供耐极端环境的储能方案。
参考文献：
Dewu Lin et al. Nanofluidic-engineered carbon nanotube ion highways in hydrogels enable high-power aqueous zinc-ion batteries. Sci. Adv.11, eadx9812(2025).