兰大杜鹏程&南开龙官奎等：蜘蛛网启发的分级结构凝胶电解质实现超长寿命柔性锌离子电池

Bioinspired Hierarchical Hydrogel Electrolyte for Ultralong-Life Flexible Zinc-Ion Batteries

Ran Wang, Qian Gao, Runhai Wu, Yongqi Mi, Shaopei Yang, Hongxiao Wang, Ting Wan, Sehrish Gull, Kefeng Xie*, Guankui Long*, Pengcheng Du*

Nano-Micro Letters (2026)18: 399

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02246-0

本文亮点

1. 仿生分级结构：受蜘蛛网“粘附-传导”结构的启发，开发了具有均匀3D离子传导路径的分级结构水凝胶电解质。

2. 快速离子传输：MXene/TA网络上的特定“粘性位点”有助于实现卓越的电化学性能，包括0.833的高Zn²⁺迁移数和27.69 mS cm⁻¹的离子电导率。

3. 超长循环寿命：该策略使稳定的锌阳极具有令人印象深刻的4600小时(>6个月)的使用寿命，并使全电池具有超过10,000次循环的出色循环能力。

研究背景

水系锌离子电池(ZIBs)因其高理论容量(820 mAh g⁻¹)、低氧化还原电位(-0.76 V vs. SHE)和本征安全性，被认为是后锂时代极具潜力的储能体系。然而，锌负极的枝晶生长、界面副反应严重制约了其商业化进程。凝胶电解质虽有望兼顾液体电解质的高离子电导率与固态电解质的机械稳定性，但凝胶电解质中致密的聚合物网络在限制自由水活性的同时，往往也阻碍了Zn²⁺的快速迁移，导致传输动力学缓慢。因此，如何打破凝胶电解质中“良好的机械性能”与“促进离子传输”之间的固有矛盾，设计出兼具界面稳定性和快速动力学的新型电解质体系，是实现高性能柔性锌离子电池的关键挑战。

内容简介

兰州大学杜鹏程、南开大学龙官奎和兰州交通大学谢克锋团队合作，从蜘蛛网的“粘附-传导”结构中汲取灵感，通过将单宁酸(TA)改性的MXene纳米片(MT)纳入聚丙烯酰胺(PAM)骨架中来构建均匀的3D离子传导路径，从而开发了一种分层水凝胶电解质(MTP)。这种仿生分级结构具有双重功能：PAM框架确保机械完整性，而MT网络为Zn²⁺传输创建定向低阻力通道。具体来说，MXene上密集的极性基团和TA上的酚羟基充当“粘性位点”，加速去溶剂化动力学并使Zn²⁺通量均匀化。因此，MTP电解质实现了27.69 mS cm⁻¹的离子电导率和0.833的高Zn²⁺迁移数。通过这种设计，Zn//Zn对称电池在0.5 mA cm⁻²/0.5 mAh cm⁻²下表现出4600小时(> 6个月)的超长寿命。此外，Zn//Z-VO全电池表现出出色的循环性能，在2 A g⁻¹下循环2000次后仍保留74.5%的容量，并在5 A g⁻¹下保持超过10,000次循环的持久运行。这项工作成功地将生物蓝图转化为解决高性能柔性ZIBs的动力学和稳定性挑战的实用策略。

图文导读

I 仿生“粘附-传导”分级水凝胶电解质实现无枝晶锌沉积

受蜘蛛网“粘附-传导”结构启发，该研究设计了分级水凝胶w电解质MTP。其中，PAM骨架模拟蛛网辐射丝线提供力学支撑，MXene@TA(MT)纳米复合物模拟粘性液滴提供Zn²⁺吸附位点。与传统液态电解质ZnSO₄(ZS)易引发枝晶和析氢副反应、普通PAM水凝胶离子传输迟缓不同，MTP通过MXene表面负电基团与TA酚羟基的协同作用，构筑了低势垒Zn²⁺快速传输通道，同时有效抑制副反应，实现均匀、无枝晶的锌沉积。

图1. 仿生分级结构水凝胶和传统电解质作用机制。

II 刚柔并济：MTP水凝胶的多孔骨架与超强力学表现

FTIR与SEM结果表明，TA通过氢键成功修饰到MXene表面并均匀分散于PAM骨架中，形成了具有三维互通多孔网络结构的MTP水凝胶。图2d-i的机械性能测试显示，优化后的MTP水凝胶拉伸强度达106.64 kPa，断裂伸长率高达763%，具备优异的机械柔性与强韧性。

图2. 材料的合成与表征。

III DFT计算解析MTP水凝胶的锌亲和力与快速通道

如图3a-e所示，密度泛函理论(DFT)计算进一步揭示了MTP水凝胶电解质的作用机理。TA分子具有最窄的HOMO-LUMO能隙和强Zn²⁺结合能力，其对Zn(002)晶面的吸附能远高于H₂O和PAM，优先吸附形成保护层隔离水分子；同时，TA调控Zn²⁺溶剂化结构，将去溶剂化能从1.19 eV大幅降至0.68 eV，加速了Zn²⁺传输并抑制枝晶生长。图3f显示MTP电解质实现了离子电导率(27.69 mS cm⁻¹)与Zn²⁺迁移数(0.833)的同时突破。

图3. DFT机理与电化学性能验证。

IV MTP电解质的电化学稳定性与锌对称电池长循环性能

Tafel曲线表明MTP电解质具有最低的腐蚀电流密度，显著提升锌负极的抗腐蚀性能。计时安培测试显示，MTP快速建立了三维扩散控制，抑制了锌枝晶生长。对称电池长循环测试表明，MTP电解质在0.5 mA cm⁻²/0.5 mAh cm⁻²下实现了4600 h超长寿命，远优于ZS(240 h)和PAM(1100 h)，且综合性能优于已报道的大多数水凝胶电解质体系。

图4. 锌金属负极稳定性。

V 致密无枝晶形貌与(002)择优取向：MTP电解质的界面调控机制

对比了不同电解质对锌成核沉积行为及界面动力学的影响。SEM图以及原位金相显微镜显示，在ZS电解液中循环后锌负极表面生成了蓬松且不规则的枝晶，而MTP中锌负极保持致密、光滑且无枝晶的形貌，定量来说，MTP循环后锌负极表面粗糙度仅为105 nm，远低于ZS体系。XRD图谱显示，MTP电解质诱导锌沉积呈现高度(002)晶面择优取向，证实MTP通过界面调控显著抑制了界面副反应和枝晶生长。

图5. 分级结构水凝胶对锌离子沉积的作用机制。

VI Zn//Z-VO全电池：高倍率性能与万圈超长循环

MTP组装的Zn//Z-VO全电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性。在2 A g⁻¹下循环2000次后容量保持率达74.5%，库仑效率接近100%；在5 A g⁻¹下实现超过10,000次的稳定循环，远超ZS与PAM体系。

图6. 全电池中的电化学性能。

VII 弯折无损、千圈稳定：MTP水凝胶电解质赋能柔性可穿戴储能器件

MTP组装的柔性Zn//Z-VO软包电池在不同弯折角度(0°~180°)下的容量几乎无衰减。在0.5 A g⁻¹下，软包电池具有279.05 mAh g⁻¹的超高比容量，且在1 A g⁻¹下循环1000次后容量保持率仍高达76.16%，充分验证了该仿生分级结构水凝胶电解质在柔性可穿戴储能器件中的可行性和实用性。

图7. 软包电池在实际应用中的电化学性能。

VIII 总结

该研究受蜘蛛网“粘附-传导”架构启发，成功开发了一种分级结构的水凝胶电解质(MTP)，巧妙调和了凝胶电解质机械强度与离子电导率之间的固有矛盾。该设计不仅实现了优异的Zn²⁺传输动力学(离子电导率=27.69 mS cm⁻¹，Zn²⁺迁移数=0.833)和优越的Zn//Zn对称电池循环寿命(4600小时)，更在全电池和柔性软包电池上验证了其卓越的实用性(10,000次超长循环)，为面向柔性电子器件的高性能锌离子电池提供了可行的仿生设计新范式。

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