东北大学伊廷锋教授，厦门大学张桥保教授：Progress in Materials Science：柔性锌空气电池理性化设计的研究进展：近期发展与未来展望

第一作者：李桃桃

通讯作者：伊廷锋*， 张桥保*

单位：1.东北大学材料科学与工程学院；2. 绍兴文理学院化学与化工学院；3.厦门大学材料学院，固体表面物理化学国家重点实验室；4.东北大学秦皇岛分校，河北省电介质与电解质功能材料重点实验室

可穿戴电子设备的快速发展正不断推动对可变形、安全且耐用的能量转换系统的迫切需求。柔性锌空气电池（Flexible Zinc-Air Batteries, FZABs）凭借其本征安全性、高理论能量密度、优异的机械形变适应性以及长期运行稳定性，被认为是下一代可穿戴电源的理想选择。尽管其电化学性能已取得显著进展，但在满足可穿戴设备所需结构柔性的同时，实现卓越的电化学效率仍然是一项关键挑战。高活性催化剂与电化学动力学之间的固有权衡，以及锌负极设计和电解质工程中存在的界面相容性问题，促使研究人员不断采用创新策略，以推动其在便携式电子器件中的实际应用。因此，对该领域的最新研究进展进行系统总结，并为FZABs的理性设计与构筑提供具有指导意义的思路，具有重要的现实意义和研究价值。

东北大学伊廷锋教授在国际知名期刊发表题为 “Advances in the rational design of flexible Zn-air batteries: Recent developments and future perspectives” 的观点文章。该文章系统总结了柔性锌空气电池（FZABs）关键组成部件的优化策略，将锌负极、固态电解质和空气电极的材料设计与界面调控整合于统一的研究框架之中。从失效机理、基本电化学原理以及多维度性能优化策略三个层面，全面梳理了近年来该领域的重要研究进展，重点阐述了不同电池组分之间的协同作用及其对整体电池性能的影响，并提出了以机理为导向的协同设计原则，为FZABs的工程化构筑与实际应用提供了重要指导。

FZABs作为用于可穿戴电子设备的绿色储能器件极具前景，具有本质安全、高柔韧性、组装简单和环境友好等突出优点。相较于其他柔性储能系，FZABs在能量密度、功率密度和循环寿命的综合权衡方面展现出独特的竞争优势。FZABs的空气阴极活性物质直接来源于空气，无需电池内部“携带”全部阴极反应物，这极大地降低了惰性质量占比，理论上有利于实现更高的比能量和更长的续航时间，特别适用于需要长时运行的可穿戴设备和柔性传感系统。鉴于FZABs在可持续能源存储领域展现出的巨大潜力，近年来研究者围绕其三大关键组成部分——锌负极、固态电解质以及氧电催化剂开展了大量研究并取得了显著进展。本文将从机理层面系统梳理各类性能提升策略，旨在为未来高性能FZABs的结构优化、性能突破提供参考与启示。

锌负极易发生锌枝晶生长、腐蚀和钝化等问题，这不仅可能引发内部短路，还会严重缩短电池的使用寿命。为提升锌负极的沉积/剥离可逆性，研究者提出了多种优化策略，包括表面涂层修饰、界面调控以及合金化设计等手段，以调节锌的电化学反应行为并抑制副反应的发生。与此同时，固态电解质的合理设计同样在锌负极稳定性中发挥着关键作用。通过引入精心设计的有机–无机复合添加剂，不仅可以调控锌离子的传输行为，还能够有效稳定负极/电解质界面，从而协同抑制腐蚀和枝晶生长，显著提升电池的循环稳定性。

由于FZABs通常以半开放体系运行，在复杂或极端环境中易受到水分流失和二氧化碳侵入的影响。由此产生的碳酸盐等副产物可能堵塞电解质内部的离子传输通道，导致充放电效率下降并增加电池内阻。此外，固态电解质的耐温性能仍有待提升：高温条件下水分蒸发会降低离子电导率，而低温环境中电解质黏度升高及盐类析出则会阻碍氢氧根离子的迁移。在众多候选体系中，聚合物基固态电解质因兼具较高的离子电导率、良好的热稳定性和优异的机械韧性而备受关注。以聚合物基电解质替代传统液态电解质，不仅有助于抑制锌枝晶生长，还能有效缓解水系副反应引起的电极腐蚀和钝化问题，为实现安全、稳定的柔性锌空气电池提供了重要支撑。

作为FZABs的另一核心组成部分，空气阴极对电池整体性能起着决定性作用，其催化活性、耐久性以及成本仍有较大的提升空间。FZABs的电化学效率在很大程度上取决于空气阴极中发生的ORR和OER动力学过程。理想情况下，空气阴极电催化剂应在低过电位下同时对ORR和OER表现出优异的活性与稳定性。从结构形式上看，柔性空气阴极主要可分为两类：（i）非自支撑型阴极，即将催化活性材料涂覆于柔性基底上；（ii）自支撑型阴极，通过对柔性基底本身进行原位改性直接构建而成。柔性空气阴极是FZABs实现“氧气呼吸”的核心部件，而氧电催化剂则决定了其“呼吸能力”。通过加速ORR/OER反应、降低能量损耗并提升运行稳定性，氧电催化剂直接决定了电池能否实现高效、稳定且具成本优势的运行。

可穿戴电子器件的快速增长正持续推动柔性电子领域的技术革新。为满足可穿戴设备在轻量化、便携性和耐久性方面的需求，先进柔性能量存储技术的重要性愈发凸显。尽管FZABs展现出广阔的应用前景，但其从实验室研究走向实际应用仍面临诸多挑战。目前，高性能FZABs的发展仍受限于锌负极腐蚀与枝晶生长、固态电解质水分流失及力学–离子传输协同不足，以及空气阴极ORR/OER催化活性与稳定性有限等关键问题。未来，通过构建高柔性、高稳定性的锌负极，开发兼具离子导电性与环境适应性的有机–无机复合固态电解质，并结合理论计算与数据驱动方法设计高效、低成本的双功能氧电催化剂，有望显著提升FZABs的整体性能。同时，电池构型的进一步优化对于提升系统集成度、可扩展性与安全性同样至关重要。总体而言，材料创新、界面工程与器件结构协同优化将是推动FZABs走向可穿戴电子和柔性传感等实际应用的关键。

Advances in the rational design of flexible Zn-air batteries: Recent developments and future perspectives

伊廷锋教授简介：东北大学教授(三级)、博士生导师，秦皇岛分校副校长。主要研究方向为电化学。先后入选安徽省技术领军人才、江苏省双创人才、河北省333人才工程第二层次人选、河北省普通本科院校教学名师、河北省师德标兵、河北省拔尖人才(专技)、2019年度科睿唯安(Clarivate Analytics)材料科学(Materials Science)领域和交叉领域(Cross-Field)“Top 1%审稿人”、全球Top 2% Scientist终身影响力榜单(2021-2025)、全球顶尖前10万科学家排名、获第十四届河北省青年科技奖、河北省科学技术奖自然科学二等奖(排名第一)、河北省高等教育（研究生）教学成果一等奖(排名第一)。担任《物理化学学报》《Rare Metals》《有色金属工程》编委。主持或主持完成国家自然科学基金项目6项，近年来，在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Progress in Materials Science、Advanced Functional Materials(6篇)、Applied Catalysis B: Environmental、Science Bulletin (2篇)、Coordination Chemistry Reviews (12篇)、Energy Storage Materials(9篇)等国际期刊上发表第一/通讯作者SCI收录论文250余篇，被引用13000余次，H因子64，35篇论文入选ESI高引论文，9篇论文入选ESI热点论文，授权排名第一发明专利16项，荷兰专利2项。作为主编编著出版《锂离子电池电极材料》《钠离子电池技术与应用》著作2部，其中前者入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目和河北省“十四五 ”普通高等教育本科规划教材名单，获2020年度化学工业出版社优秀图书奖。

目前，课题组成员包含教授1名、副教授1名、讲师2名；博士生4名、硕士生16名。主要研究方向包括碱金属离子电池、水系电池、固态电池、电催化及其第一性原理计算、液流电池、锂硫电池、锌空气电池、生物质材料等电化学能量存储与转化研究热点。

课题组常年招聘研究生，欢迎有化学、化工、材料学及物理学背景的同学攻读博士研究生、硕士研究生。联系方式：tfyihit@163.com。