摘要：锌 金属电池因其高安全性、丰富资源和水系环境友好性，在大规模储能领域具有重要前景。 然而，锌负极普遍 存在枝晶生长 、析氢副反应和电解腐蚀等问题，严重限制其稳定循环寿命 。 凝胶电解质是目前有效缓解 锌 负极三大问题的方法之一，但仍面临离子电导率低和机械强度不

锌 金属电池因其高安全性、丰富资源和水系环境友好性，在大规模储能领域具有重要前景。 然而，锌负极普遍 存在枝晶生长 、析氢副反应和电解腐蚀等问题，严重限制其稳定循环寿命 。 凝胶电解质是目前有效缓解 锌 负极三大问题的方法之一，但仍面临离子电导率低和机械强度不足等问题，并且大多数人工水凝胶不可生物降解、不可回收，大量废弃的凝胶电解质会 造成 严重的环境与经济问题 。 本工作 开创性地提出了一种受骨头多级结构启发的可持续凝胶电解质， 为高性能、可持续 锌 金属电池的构建提供了全新设计思路与有效解决方案。

近日，北京化工大学王峰教授、牛津教授团队在国际知名期刊AngewandteChemieInternational Edition上发表题为“ Bone-Inspired Sustainable Hydrogel Electrolytes for Zn Metal Batteries ”的文章。该工作制备了一种具有超长纳米纤维结构和超高室温离子电导率（18.7 mS cm-1）的新型锌离子导体材料锌掺杂羟基磷灰石（Zn-HA），受骨头启发，将Zn-HA与明胶（Gel）复合制得凝胶电解质（Zn-HA-Gel），同时具有高离子电导率、高离子迁移数、高机械强度、生物相容性、可回收可降解性等特点，有效应对了当前锌负极面临的多重挑战。

图1 （a） Zn-HA纳米纤维和受骨头启发的Zn-HA-Gel凝胶电解质的制备过程、锌离子传输机制及材料优点 。（b-h）Zn-HA形貌结构表征 。

对Zn-HA的形貌结构进行表征，结果表明 锌 掺杂不会影响羟基磷灰石的晶体结构，超长纳米纤维相互交织形成网络结构 ，并通过 理论计算揭示了Zn-HA 内锌离子 的两条迁移路径。 为了验证Zn-HA的 高导锌作用 ，设计制作了纳米器件用于评估单根 纳米线 的离子电导率，测 得 Zn-HA单根 纳米线 的离子电导率高达18.7 mS cm -1 ，在空气中放置半年后形貌结构和性能均没有明显变化，表现出优异的环境稳定性 。综合以上性能说明，Zn-HA是一种非常优异的锌离子导体。

图 2 Zn-HA-Gel组装的电池性能 。

电化学测试结果表明， Zn/Zn-HA-Gel/Zn 对称电池 在5 mA cm -2 / 5 mAh cm -2 下可稳定循环2000 h， 在 76.95%的深度充放电条件下仍可稳定循环2000 h， 并且循环后的电极表面平整无枝晶 。Zn/HA-Gel/NVO全电池 在5 A g -1 下循环2000圈容量保持率达到82.4%，在有限N/P比和高负载 量条件 下均具有优异的循环稳定性 ， 组装的软包电池也可在1 A g -1 下稳定循环500圈。

图 3 Zn-HA-Gel 性能表征 。

Zn-HA本身具有优异的机械性能 并且和明胶之间存在相互作用 ，与明胶复合后使得Zn-HA-Ge l 具有高达8.82 MPa的机械强度，是明胶的16.3倍， 刺穿强度也从0.11 N提升至3.60 N 。 这种 高 机械强度能够有效 抑制枝晶的 生长与 刺穿 ，从而提升水系锌金属电池（AZMBs）的循环稳定性与倍率性能 。 锌 离子导体Zn-HA加入将Zn-HA-Gel的离子电导率提升至32.5 mS cm -1 ，并且在低含水量条件下仍具有高离子电导率。 由于Zn-HA与明胶、 SO 4 2- 、 H 2 O 等之间均存在相互作用 ，Zn-HA-Gel还具有高保水性、低去溶剂化能、高离子迁移数 等优点。

Zn-HA-Gel 在锌负极界面表现出优异的析氢抑制能力，通过降低析氢起始电位和腐蚀电流，有效 缓解析氢 问题。同时， Zn-HA-Gel 显著减轻了锌负极的腐蚀反应，在其表面形成更薄且致密的有机 - 无机复合保护层，减少了腐蚀产物和副反应的堆积。该保护层不仅提升了界面稳定性，还为 Zn² ⁺ 提供了良好的迁移通道，进一步诱导其沿（ 002 ）晶面择优沉积， 抑制枝晶生长 ，实现均匀、致密的金属沉积行为。结合其高离子电导率、优异机械性能和较小厚度， Zn-HA-Gel 在提升 锌 负极循环稳定性和倍率性能方面展现出显著优势，为构建高效、长寿命的水系锌金属电池提供了有效解决策略。

图4 Zn-HA-Gel 的可回收性、可降解性、生物相容性测试。

由于原料羟基磷灰石和明胶都是骨头 的组成 材料，Zn-HA-Gel具有良好的可回收性和 可 降解性。 使用后的Zn-HA-Gel可通过热水简单水解，一步回收获得Zn-HA膜和明胶溶液，再次制备的 rZn -HA-Gel可直接用于组装电池， 仍 展现出稳定的循环性能 。 此外，将Zn-HA-Gel可在土壤中被微生物降解。在生物相容性方面 ， Zn-HA-Gel对人脐静脉内皮细胞几乎无毒，不仅细胞存活率高，且活性氧（ROS）水平显著低于有机电解质体系，表明其对正常细胞损伤极小，具备良好的生物安全性，适用于可穿戴和植入式电子设备的能量供给。

北京化工大学材料科学与工程学院2021级博士研究生彭嘉莹为第一作者。

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来源：游客说科学