柔性锌离子负极新突破！AFM：MXene/丝绸支架+亲锌疏水聚合物封装锌粉实现超稳定柔性锌负极

第一作者：杨子炫/王智宇

通讯作者：类伟巍，王训该，刘丹*

单位：澳大利亚迪肯大学，澳大利亚皇家墨尔本理工大学，香港理工大学

柔性锌离子电池（FZIBs）因其安全性高、环境友好、成本低廉等优势，在可穿戴能源存储系统中展现出巨大应用潜力。锌粉（ZnP）因其高比表面积、低成本和良好的加工性，成为极具前景的柔性锌负极材料。然而，锌粉负极仍面临枝晶生长、严重腐蚀和结构完整性差等问题。为此，亟需开发一种能同时实现均匀锌沉积、抑制副反应并具备优异机械柔性的新型锌粉负极结构。

近日，澳大利亚迪肯大学，皇家墨尔本理工大学，及香港理工大学的研究团队合作在Advanced Functional Materials上发表题为“Encapsulating Zinc Powder in MXene/Silk Scaffolds with Zincophilic-Hydrophobic Polymer for Flexible Zinc-Ion Batteries”的研究论文。该研究通过将锌粉封装于具有亲锌-疏水特性的热塑性聚碳酸酯聚氨酯（TPCU）中，并与MXene涂层丝绸织物（MXS）集流体结合，成功构建了一种高性能柔性锌负极。该负极在对称电池中实现了超过2500小时的循环寿命，库伦效率高达99.75%，并在柔性全电池中表现出优异的机械稳定性和电化学性能。

巧妙地选择了丝绸织物作为柔性基底，其表面丰富的官能团确保了MXene纳米片的牢固附着，形成了高导电（方阻仅3.73 Ω/sq）、耐洗涤、抗疲劳的MXene-丝绸（MXS）集流体。相较于易产生金属疲劳的锌箔或铜网，MXS在反复弯曲后仍能保持结构完整，为柔性器件提供了坚实的基础。在此基础上，团队并未使用传统的PVDF粘结剂，而是创新性地采用了热塑性聚碳酸酯聚氨酯（TPCU） 作为锌粉的封装基质。TPCU-ZnP浆料展现出优异的流变性能（初始粘度6981.7 Pa·s），使其在涂布过程中不易流淌，确保了电极的均匀性和完整性。这种“MXS导电骨架 + TPCU-ZnP活性层”的梯度结构设计，实现了电子、离子传输和机械性能的完美平衡。

为什么TPCU如此有效？研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算从原子层面揭示了其作用机理。研究发现，TPCU分子链中的碳酸酯基团（-O-C(=O)-O-，软段） 对Zn离子表现出极强的吸附能（-1.27 eV），远高于金属锌自身的吸附能（-0.18 eV）。这意味着TPCU能有效地引导Zn²+离子均匀分布和优先沉积，起到了“亲锌”的作用。另一方面，TPCU中的氨基甲酸酯链段（-NH-CO-O-，硬段） 则构成了疏水屏障，其对水分子的吸附能（-0.24 eV）远弱于锌粉（-0.57 eV），从而有效排斥水分子，大幅抑制了析氢、腐蚀等副反应。实验数据完美支撑了该理论：TPCU-ZnP的接触角（119.4°）显著大于ZnP（98.8°），其成核过电位（38 mV）远低于ZnP（51 mV）和铜（83 mV），线性扫描伏安（LSV）也显示其具有更高的腐蚀电位（0.135 V vs. Zn/Zn²⁺），证明了其卓越的腐蚀抑制能力。

得益于上述设计，TPCU-ZnP@MXS负极实现了前所未有的长循环寿命。在1 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻²的条件下，对称电池稳定循环超过2500小时，且电压滞后始终低于93 mV。该负极即使在放电深度（DOD）高达91.5% 的苛刻条件下仍能稳定循环，这主要归功于其无枝晶的沉积行为。原位光学显微镜观察显示，TPCU-ZnP@MXS在沉积过程中表面平整，无显著体积膨胀；而对照组ZnP@MXS则出现了明显的枝晶和剧烈膨胀。扫描电镜（SEM）和共聚焦激光显微镜（CLSM）对循环后电极的观测表明，TPCU-ZnP@MXS表面光滑（粗糙度Ra=28.43 μm），而对照组则布满枝晶和裂纹（Ra=39.95 μm）。COMSOL多物理场仿真进一步揭示了机理：TPCU的引入能有效调控电极表面的电场分布，使电流密度和Zn离子流分布极度均匀，从根本上消除了枝晶生长的热点。

为展示其实际应用潜力，研究团队组装了以V₂O₅@CC为正极的全电池。TPCU-ZnP@MXS全电池展现了优异的倍率性能（在0.2 A g⁻¹和5.0 A g⁻¹下的容量分别为304.6和126.5 mAh g⁻¹）和超长的循环稳定性（在1 A g⁻¹下循环1000次后容量保持率高达85.4%）。更重要的是，团队成功制备了柔性准固态电池（FZIB），其面能量密度达62.1 Wh m⁻²。该柔性电池在180°弯曲状态下仍能保持89.4%的容量，并能稳定地为厨房定时器、小风扇等电子设备供电，充分证明了其作为未来可穿戴设备能源解决方案的重要潜力。

Encapsulating Zinc Powder in MXene/Silk Scaffolds with Zincophilic-Hydrophobic Polymer for Flexible Zinc-Ion Batteries

刘丹教授：澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）教授，博士生导师，2015年澳大利亚优秀青年学者，2020年澳大利亚未来学者。主要致力于先进二维纳米材料和功能纳米复合材料以及在新型纳米滤膜，热管理器件和新能源等应用研究。近年来在本领域发表国际SCI论文180余篇，包括Nature Communications，Joule，Adv. Energy Mater，J. Am. Chem. Soc， Adv. Mater， Advance Science，ACS Nano，Angew. Chem. Int. Ed 等。

类伟巍教授: 澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）教授，博士生导师。2014年澳大利亚优秀青年学者，2022年澳大利亚未来学者。长期从事新型功能二维纳米材料和制备技术的研究工作，在二维功能材料，纳米复合材料，新能源环境材料器件等方面取得了一些列重要成果。迄今已在Joule，Nature Communications，J. Am. Chem. Soc，Angew. Chem. Int. Ed，Adv. Mater，Adv. Energy Mater，ACS Nano， Small，Nano Energy，ACS Energy Letter等本领域具有国际影响力的刊物上发表学术论文200余篇。

王训该教授：现任香港理工大学纤维科学与技术讲座教授（Chair Professor），时装及纺织学院副院长，纤维创新与可持续材料联合研究中心（JRC-FIRM）主任。入职香港理工大学前曾任澳大利亚迪肯大学未来纤维研究中心主任、前沿材料研究院院长、副校长（PVC）等职。是国际纺织学会创办最早的纺织学术刊物 (The Journal of the Textile Institute) 主编。研究涉及天然纤维材料、纳米纤维、纺纱技术、环保和功能纺织材料。于2005年获美国纤维学会杰出成就奖，2017年获H&M基金会全球变革奖（H&MFoundation Global Change Award），2019年获迪肯大学校长颁发的校企合作奖，2022年获香港特别行政区政府授予“全球创科学人”荣誉。

杨子炫：澳大利亚迪肯大学先进材料研究所（IFM）博士生。从事柔性锌离子储能器件，高性能纤维材料相关研究工作。在Advanced Functional Materials， Energy Storage Materials，Journal of Colloid and Interface Science，Cellulose，Jorunal of Power Source等期刊发表研究论文8篇。

王智宇：澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）研究员。长期从事储能材料，柔性储能器件以及二维纳米材料的研究。迄今已在Advanced Functional Materials，ACS Nano，Energy Storage Materials, ACS Central Science，Small.等本领域具有国际影响力的刊物上发表学术论文30余篇。

皇家墨尔本理工大学材料能源料课题组长期招聘相关方向的优秀硕博生，有意者请邮件联系刘老师dan.liu@rmit.edu.au。