『水系锌电』深圳大学&香港城市大学Angew全各向异性一体化构筑策略助力高能量密度实用化锌金属软包电池
水系锌金属电池具备安全性高、成本低廉、环境友好等优势，是大规模储能领域的理想选择，但当前器件级能量密度普遍偏低，成为制约其商业化落地的核心问题。现有研究大多仅聚焦单一电极材料改性，在低负载条件下可提升比容量，一旦提升活性物质面载量，电极利用率便会大幅下滑。究其根源，传统电池电极、电解液均为各向同性结构，内部离子传输通道曲折、浓极化现象严重，高负载与大电流工况下反应动力学迟缓，极易出现反应不均、电极失效等问题。同时正负极容量匹配（N/P 比）不合理、非活性组分占比过高，进一步拉低整体能量密度。仅依靠材料改性难以突破瓶颈，亟需从电池整体结构出发，设计电极 - 电解液协同的一体化传输体系，兼顾高面载量、高利用率与合理容量配比。本研究受天然木材输运结构启发，提出全各向异性一体化构筑策略，同步设计各向异性电极与定向水凝胶电解液，搭建连续低曲折度离子通路。选用木质衍生碳化材料（ACW）作为一体化集流体与导电骨架，分别负载二氧化锰正极与金属锌负极；采用定向冷冻结合磷酸改性工艺，制备具有垂直片层通道的各向异性羧甲基纤维素水凝胶（P-CMC Aniso-gel）。整套体系实现离子高速定向输运，可适配最高 50.13 mg/cm² 的高正极面载量，工作温区覆盖 - 30 ℃至 60 ℃。组装的锌 - 二氧化锰软包电池在 0.1 A/g 电流密度下，器件整体能量密度可达 173.2 Wh/kg。该结构设计通用性强，同样适用于钒基正极体系，为各类多价金属储能电池提供全新的结构设计范式。①结构创新仿生木材输运结构，打造电极、电解液全各向异性一体化体系，构建贯通式离子通道，从器件层面解决高负载下传质受阻难题；②材料创新轻质碳化木材兼具骨架与集流体双重功能，替代传统厚重金属集流体，大幅降低非活性质量，提升整体能量密度；③机制创新阐明定向通道、磷酸官能团协同作用机理，各向异性凝胶既实现快速离子传导，又原位生成稳定界面层，抑制锌枝晶与副反应；④应用创新体系宽温适应性优异，机械耐受性强，可制备大容量软包电池并驱动小型设备，具备规模化实用价值与广泛拓展性。图 1 高通量一体化电池设计理念与能量密度影响因素a 软包电池结构示意图及能量密度计算公式，标注总质量、有效容量、工作电压等关键参数；b 正负极容量配比（N/P 比）与电池能量密度的关联规律；c 电极利用率、面载量之间的对应关系；d 离子传输通量对电池综合性能的影响模型。1）电池整体能量密度由正负极最小有效容量、工作电压与器件总质量共同决定，过量锌箔、厚重集流体等非活性组分会显著拉低能量密度；2）N/P 比过高会造成锌负极冗余，过低则易引发负极耗尽与极化，存在最优配比区间；3）传统各向同性电极在高面载量下活性物质利用率骤降，电极利用失衡是性能短板；4）只有电极、电解液同时具备高通量、低曲折度离子通道，才能兼顾高负载、高利用率与合理 N/P 比，实现能量密度突破。a 天然树木木质导管输水输养分的仿生原理示意图；b 各向异性碳化木材（ACW）形貌与轻量化特征；c ACW 基二氧化锰正极、锌负极的结构与功能特点；d 磷酸改性定向纤维素水凝胶（P-CMC Aniso-gel）制备与结构模型。1）借鉴木材垂直贯通的导管结构，设计定向离子传输通道，大幅降低离子迁移阻力；2）碳化木材保留垂直连通微通道，质地轻盈且导电性优异，可同时作为电极骨架与集流体；3）二氧化锰沿通道内壁均匀生长，电解液可深度渗透；金属锌限域在通道内，抑制体积膨胀与枝晶生长，同时实现正负极容量精准匹配；4）通过定向冷冻与磷酸接枝改性，制备具备垂直纳米通道的各向异性水凝胶，与电极通道取向完全匹配。图 3 电极与电解液微观结构、界面特性及离子输运模拟a ACW - 二氧化锰正极接触角与宏观形貌；b 正极截面扫描电镜图像；c ACW - 锌负极接触角与宏观形貌；d 负极截面扫描电镜图像；e 各向异性凝胶实物图；f 凝胶截面片层通道形貌；g 凝胶不同方向纳米压痕测试曲线；h 拉伸状态下凝胶内部应力分布模拟；i弯折 500 次后凝胶外观状态；j 全器件三维结构示意图；k 器件内部锌离子浓度与通量三维模拟；l 平面视角离子分布云图。1）正极表面亲水性强，保障电解液充分浸润；负极适度疏水，可缓解析氢腐蚀问题；2）活性物质均匀分布在碳化木材通道内壁，无表面团聚，高负载下仍可保障反应均匀性；3）定向片层结构让凝胶具备力学各向异性，轴向强度高、横向韧性好，可阻挡枝晶同时适配形变；4）整套器件形成垂直贯通的离子通路，离子通量分布均匀，浓极化被显著抑制。a 普通各向同性凝胶体系循环后锌电极三维 X 射线断层扫描图；b 各向异性凝胶体系循环后锌电极三维 X 射线断层扫描图；c 界面处锌沉积原位光学观测序列图；d 各向同性凝胶体系阻抗弛豫时间分布图谱；e 各向异性凝胶体系阻抗弛豫时间分布图谱；f 两类电解液体系锌沉积、界面演化机理对比。1）各向同性凝胶中离子传输无序，锌局部优先生长，形成枝晶并穿透电解液；2）定向通道均匀离子通量，锌呈平面状均匀沉积，电极表面平整无凸起；3）各向异性凝胶体系循环过程阻抗稳定，界面副反应少，电荷转移动力学优异；4）定向结构结合磷酸衍生界面层，协同实现无枝晶锌沉积，长效稳定电极界面。a 羧甲基纤维素与磷酸改性纤维素分子结构对比；b 两类体系氢键数量统计；c 锌 - 氧配位数分析；d 锌离子在分子链上的配位位点模型；e 锌离子迁移能垒对比；f 不同阶段离子迁移结构快照。1）磷酸基团引入后，体系氢键网络更致密，聚合物框架稳定性提升；2）磷酸基团提供大量配位位点，提升锌离子溶剂化连续性，降低迁移能垒；3）锌离子依靠动态配位作用在分子链间快速跃迁，实现高效传导。a 大电流密度下锌对称长循环曲线；b 贫锌条件对称电池循环曲线；c 2 MPa 外压下对称电池稳定性；d 不同温度下锌 - 二氧化锰软包电池长循环性能；e 不同温度下锌 - 钒基正极电池循环性能；f 高负载软包电池循环曲线；g 对应充放电曲线；h 能量 - 功率密度（拉贡）曲线与文献对标；i软包电池驱动小型无人机实物演示。1）对称电池可在大电流、贫锌、外加压力等严苛条件下长期稳定运行，界面耐受性强；2）电池工作温区覆盖 - 30 ℃至 60 ℃，高低温环境均保持高容量与长循环寿命；3）高面载量软包电池器件能量密度达 173.2 Wh/kg，综合性能优于多数已报道水系锌电池；4）组装堆叠式软包电池可稳定驱动小型无人机，验证体系实际应用能力。本研究提出全各向异性一体化构筑策略，以仿生碳化木材为电极双功能骨架，搭配磷酸改性定向纤维素水凝胶电解液，构建完整的垂直贯通离子传输体系。轻质碳化木材替代传统金属集流体，有效削减非活性质量；定向通道消除离子传输曲折度，解决高负载下活性物质利用率低的问题。磷酸改性凝胶一方面依靠定向纳米通道实现高通量离子输运，另一方面诱导生成稳定磷酸锌基界面层，抑制锌枝晶、析氢等副反应。整套器件可实现 50.13 mg/cm² 超高正极面载量，宽温区间（-30 ℃~60 ℃）循环稳定，软包电池整体能量密度达到 173.2 Wh/kg。该结构设计不局限于锌 - 二氧化锰体系，同样适用于钒基等多种正极材料，通用性强。该工作为高能量密度、实用化水系锌金属电池以及多价金属储能器件，提供了全新的结构设计思路与工程化方案。Unlocking an All‐Anisotropic‐Component Integrated Paradigm Toward Practical Solid-State Zinc Metal Pouch Cells. AngewandteChemie International Edition, 2026; https://doi.org/10.1002/anie.1641255本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
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