深圳大学张培新/马定涛团队最新Angew. :解锁全各向异性组分集成范式,面向实用化准固态锌金属软包电池
水系锌金属电池（ZMBs）因高安全性、低成本和环境友好备受关注，但器件级能量密度偏低（通常仅30–80 Wh kg⁻¹）始终是产业化瓶颈。传统研究聚焦电极材料改性，忽视了对电池组件结构特征与跨组分界面兼容性的系统考量——厚电极中Zn²⁺迁延曲折的离子通路（tortuous pathway）与严重的浓差极化，导致高载量下活性物质利用率骤降。近日，深圳大学化学与环境工程学院张培新课题组（通讯作者：马定涛、张培新）联合香港城市大学、广东工业大学在《Angewandte Chemie International Edition》发表研究：提出全各向异性组分高通量集成模型（All-Anisotropic-Component Integrated Model），以天然可再生木材为基材构建各向异性碳化木（ACW）双向集流体/骨架，并设计磷酸改性纤维素各向异性水凝胶（P-CMC Aniso-gel）作为准固态电解质，使正极、负极、电解质三者垂直对齐孔道形成连续低迂曲度Zn²⁺传输通道。该Zn||Ca-MnO₂软包电池在MnO₂载量高达50.13 mg cm⁻²时仍可稳定循环，最大能量密度达173.2 Wh kg⁻¹（0.1 A g⁻¹），超越绝大多数已报道水系锌电池，并在−30°C至60°C宽温域下正常运行。此工作为突破锌电池能量密度天花板提供了"跨组分结构匹配"的全新器件工程范式。图1｜全各向异性集成策略的设计理念与器件能量密度制约因素分析
一、各向异性碳化木（ACW）——轻质双功能集流体与三维宿主
天然藤黄檀（Manau rattan）木材经定向碳化保留垂直排列开放微管胞通道，电导率沿通道方向达110±8.6 S cm⁻¹，可同时充当正极和负极的轻质导电骨架，替代传统铜/铝集流体与泡沫镍，显著降低非活性质量（m_total）。ACW-MnO₂正极：Ca-MnO₂纳米片沿ACW内壁通道conformal 生长，垂直贯通孔道允许电解液深层渗透，Zn²⁺迁移平行于电场方向，确保整个厚度方向均相氧化还原反应。即使MnO₂载量提至~50.4 mg cm⁻²，通道残留空隙仍保障液相浸润，表层接触角仅23.1°，EDS证实Mn元素贯穿截面均匀分布。ACW-Zn负极：Zn电沉积限域于ACW有序微通道内（实测沉积量对应~25.3 mAh cm⁻²，远低于ACW宿主理论容纳容量~73 mAh cm⁻²），受限几何空间重新分配局部电场，引导Zn²⁺通量平行通道生长，抑制枝晶与局部场增强；可通过控制沉积量精确匹配高载量正极容量，使N/P比运行于理论最佳窗口（本工作取N/P≈1.7）而非靠盲目减薄锌箔。ACW-Zn表面经调控呈适度疏水（接触角78.5°），兼顾离子通透与抑制析氢腐蚀。图2｜仿生高通量电极与水凝胶电解质的设计原理。
二、磷酸改性纤维素各向异性水凝胶（P-CMC Aniso-gel）
采用定向冷冻法诱导羧甲基纤维素（CMC）前驱体沿温度梯度定向结晶，酸诱导交联同时引入磷酸根基团（–PO₄²⁻）制得P-CMC Aniso-gel：结构各向异性：横截面SEM显示完美平行层状纳米通道贯穿膜厚方向，与ACW垂直孔道取向匹配，构建器件级连续Zn²⁺高速公路，大幅降低迂曲度。垂直方向杨氏模量与抗拉强度（3.46 MPa）为横向3倍以上，具抗穿刺能力与良好柔韧性（>500次弯折不裂）。磷酸基调控配位化学：FT-IR/XPS证实P=O与P–O–C键成功引入。磷酸氧提供丰富Zn²⁺配位位点，分子动力学模拟显示Zn–O平均配位数由CMC中4.89升至P-CMC中6.47，Zn²⁺迁移能垒由~1.3 eV降至0.8 eV，促进可逆Zn²⁺跳跃传输。致密氢键网络（H-键数~90 vs CMC ~65）维持结构稳定性。原位ZPO衍生SEI：循环中磷酸物种促使负极表面生成Zn₃(PO₄)₂·4H₂O（ZPO）富集固态电解质界面，离子导通但电子绝缘，抑制析氢与腐蚀，诱导Zn (002)晶面择优取向沉积。图3｜高通量电极与水凝胶电解质的结构特征。
三、全各向异性集成器件的电化学行为与界面演化
3.1 锌沉积/剥离界面稳定性
同步辐射X-ray CT与原位光学观测对比：各向同性凝胶（Iso-gel）中Zn呈苔藓状枝晶穿透凝胶基质；Aniso-gel体系中Zn沉积平整致密，截面呈连续金属层紧贴ACW骨架。有限元模拟（FEM）显示Aniso-gel内部电场与电流密度均匀分布，消除尖端放大效应。DRT分析表明Aniso-gel体系电荷转移与扩散电阻峰窄且稳定，无副产物累积导致阻抗增长。图4｜全高电流锌金属袋式电池的电化学性能测试。ACW-Zn||Cu半电池库伦效率>99%（400周）；ACW-Zn||ACW-Zn对称软包在30 mA cm⁻²、10 mAh cm⁻²下稳定循环>1200 h，临界电流密度达50 mA cm⁻²，2 MPa外压下仍保持稳行——验证各向异性框架耐受机械形变。
3.2 全电池性能——高能量密度与宽温域
组装ACW-MnO₂ | P-CMC Aniso-gel | ACW-Zn准固态软包电池：能量密度：0.1 A g⁻¹下面容量296.9 mAh g⁻¹，平均放电平台~1.35 V，按全电池总质量（含外壳外接线除外活性组件总和9.28 g）计算能量密度达173.2 Wh kg⁻¹，超越已报道准固态锌电池水平。宽温运行：−30°C容量119.6 mAh g⁻¹（25°C为155.9 mAh g⁻¹），60°C为210.1 mAh g⁻¹，2000周容量保持率高；−30°C下器件级能量密度仍达100.9 Wh kg⁻¹。低温下对齐纳米通道保障离子导通，高温下磷酸配位锁定自由水抑制副反应。普适性验证：同架构匹配钒基正极（ACW-AVO）同样获高比能与宽温性能（25°C能量密度149.3 Wh kg⁻¹），证明全各向异性集成模型可拓展至多价态反应体系。演示应用：12层串联软包输出22 V / 22 W，可驱动小型无人机稳定飞行。图5｜关于基于ACW-Zn|P-CMC凝胶和ACW-Zn对称电池系统中锌沉积机制的研究。
四、核心机理提炼——为何"全各向异性匹配"是关键？
传统锌电池采用随机多孔电极+无规隔膜/凝胶，Zn²⁺在厚正极内需经历漫长迂曲扩散后方能到达深层，导致外部反应过度、内部"死区"，高载量反而拉低利用率。本工作三重各向异性协同：组件 | 各向异性特征 | 功能贡献 |
|---|
ACW正极 | 垂直开放微管+MnO₂壁载 | 电解液深层渗透，Zn²⁺平行电场迁移，高载量η↑ |
ACW负极 | 垂直微通道限域Zn沉积 | 电场重分布，N/P可控匹配，枝晶抑制 |
P-CMC Aniso-gel | 定向层状纳米通道+磷酸配位 | 低迂曲度Zn²⁺高速路，ZPO-SEI界面钝化，力学抗穿刺 |
三者通道取向一致（through-plane alignment）使离子流线直、平行、均匀，最大限度降低浓差极化，让"高正极载量+近优N/P比+轻量集流体"的理论增益真正兑现为器件级高能量密度。
五、研究团队与论文信息
单位：深圳大学化学与环境工程学院；香港城市大学机械工程系；广东工业大学生物医药学院基金：深圳市科技创新委、广东省自然科学基金、国家自然科学基金等
10个月宝宝每天需要喝多少奶粉？
