江西师范大学涂宗财教授、沙小梅教授团队 CEJ：用于柔性无枝晶锌电池的鱼蛋白胶修饰低盐-多功能水凝胶- 大数跨境

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江西师范大学涂宗财教授、沙小梅教授团队 CEJ：用于柔性无枝晶锌电池的鱼蛋白胶修饰低盐-多功能水凝胶

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2025-08-15

导读：江西师范大学涂宗财教授、沙小梅教授团队 CEJ：用于柔性无枝晶锌电池的鱼蛋白胶修饰低盐-多功能水凝胶

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文章信息

用于柔性无枝晶锌电池的鱼蛋白胶修饰低盐-多功能水凝胶

第一作者：程文龙

通讯作者：涂宗财*，沙小梅*

单位：江西师范大学，江西省农业科学院，南昌大学，华东交通大学

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研究背景

在过去二十年，技术的飞速进步推动了智能手机、计算机、电动汽车等创新产品的普及，同时带动了大型能源存储系统及柔性电子设备的发展。其中，可充电锌离子电池因安全性高、成本低、环境友好及低氧化还原电位而在大规模储能和可穿戴电子领域受到广泛关注。然而，其在充放电过程中易发生氢析出、副反应及锌枝晶生长，导致效率下降和安全隐患，尤其在柔性应用中亟需优化。功能性水凝胶电解质作为半固态体系，兼具高含水量与优异离子传导性，可抑制枝晶形成并防止电解液泄漏。聚丙烯酰胺（PAM）基水凝胶因合成简便、机械性能优良而备受研究，但其共价交联结构在机械损伤后难以自修复，且高盐浓度调控策略存在成本高与加工复杂等问题。为此，本研究引入鱼蛋白胶（FG）作为网络修复剂，通过与PAM链形成强氢键，提高水凝胶的机械强度和界面稳定性，有效调控锌沉积行为并抑制腐蚀。所得FG/PAM电解质在锌对称电池及全电池中均表现出优异的循环寿命和容量保持率，为柔性可穿戴储能器件提供了一种简洁高效的设计策略。

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文章简介

近日，来自江西师范大学的涂宗财、沙小梅教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A fish-gelatin-modified multifunctional hydrogel with “salt-in-water” for dendrite-free flexible zinc-ion batteries”的研究文章。该研究提出以鱼蛋白胶修饰聚丙烯酰胺水凝胶电解质，通过强氢键作用增强其机械性能和界面稳定性，有效抑制锌枝晶生长与副反应，改善锌沉积行为。应用于柔性锌离子电池中，实现了长循环寿命与优异容量保持率，为高性能可穿戴储能器件提供了简洁高效的新策略。

图1. （a）鱼蛋白胶改性PAM水凝胶电解质的制备过程示意图；（b）鱼蛋白胶改性PAM水凝胶电解质中的分子相互作用；（c）柔性蛋白胶电池中改性PAM水凝胶电解质中锌沉积和界面化学的示意图。

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本文要点

1. 新型鱼蛋白胶（FG）修饰的水凝胶电解质

该研究通过将鱼蛋白胶（FG）引入聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶网络，成功开发了一种具有优异机械性能和界面稳定性的柔性电解质。FG作为一种天然蛋白质，富含羟基（-OH）和氨基（-NH₂）等极性基团，能够与PAM链形成强氢键相互作用，从而修复传统PAM水凝胶的网络缺陷。实验结果表明，FG/PAM水凝胶在90%的压缩应变下仍能保持1078 kPa的抗压强度，远优于纯PAM水凝胶。此外，FG的引入显著提升了水凝胶的疲劳恢复能力，在10次80%压缩循环后仍能恢复99%的初始强度，而纯PAM水凝胶则因结构破坏而无法恢复。这种优异的机械性能使得FG/PAM水凝胶能够适应柔性电池在弯曲、折叠等动态变形条件下的使用需求。

创新点：FG的引入不仅增强了水凝胶的机械性能，还通过其独特的生物相容性和分子结构优化了电解质的界面化学性质，为柔性锌离子电池提供了更稳定的电解质基体。

2. 抑制锌枝晶和界面副反应

锌离子电池在充放电过程中常面临锌枝晶生长和副反应（如析氢、腐蚀）等问题，严重影响电池的循环寿命和安全性。FG/PAM水凝胶通过多重机制有效抑制了这些问题：静电相互作用调控Zn²⁺沉积：FG和PAM链上的负电基团（如-COO⁻）能够均匀吸附Zn²⁺，引导其均匀沉积，避免局部聚集形成枝晶。氢键网络抑制副反应：FG中的极性基团与H2O分子形成强氢键，减少自由水的活性，从而抑制析氢反应（HER）和锌腐蚀。DFT计算验证：理论计算表明，FG/PAM与Zn²⁺的结合能（-0.58 eV）显著高于PAM（-0.24 eV）和H2O（0.7 eV），说明FG能更有效地促进Zn²⁺的脱溶剂化，优化沉积行为。实验数据进一步证实，FG/PAM电解质在Zn//Zn对称电池中实现了2238小时的超长循环寿命（0.5 mA cm^-2），远优于传统ZnSO₄电解液（260小时）和纯PAM水凝胶（845小时）。

创新点：FG的引入不仅抑制了锌枝晶，还通过调控水分子活性减少了副反应，显著提升了电池的循环稳定性。

3. 低盐浓度下的高效性能

传统锌离子电池通常依赖高浓度电解液（如2-3 M ZnSO₄）来抑制副反应和枝晶生长，但这会增加成本并降低电解质的加工性能。FG/PAM水凝胶的创新之处在于，即使在低盐浓度（1 M ZnSO₄）下，仍能有效规避锌离子电池的常见问题：FG的极性基团（-OH、-NH₂）能够替代部分盐的作用，通过强氢键网络限制自由水的移动，减少副反应的发生。FG的蛋白质链结构提供了额外的Zn²⁺配位位点，优化离子传输路径，使得低盐浓度下仍能实现均匀的Zn沉积。实验证明，FG/PAM在1 M ZnSO₄中表现出与高盐浓度电解液相当的循环稳定性（如99.26%的库仑效率），而传统PAM水凝胶或液态电解液在相同条件下性能显著下降。这一突破意味着FG/PAM水凝胶可以降低电池的盐用量，减少成本，同时保持高性能，为大规模应用提供了更经济的解决方案。

创新点：FG的引入使得电池在低盐浓度（1 M）下仍能高效运行，解决了高盐电解液的成本和工艺难题，具有重要的产业化潜力。

4. 优异的电化学性能与柔性应用潜力

FG/PAM水凝胶不仅在机械性能和界面稳定性上表现优异，其电化学性能也远超传统电解质，高库仑效率（CE）：在Zn//Cu不对称电池中，FG/PAM的CE高达99.26%，循环1126次后仍保持稳定，表明其可逆性极佳。长循环寿命：Zn//MnO₂全电池在10 A g^-1的高电流密度下循环700次，远优于液态电解液（119次后失效）和纯PAM水凝胶（141次后失效）。柔性适配性：FG/PAM水凝胶具有优异的粘附性，能紧密贴合电极，适应弯曲、拉伸等变形，成功驱动电子设备（如计时器）。

5.农副产品高值化利用

鱼蛋白胶是一种通过水解鱼类胶原蛋白获得的天然蛋白质衍生物。实际生产中其优质产品广泛应用于食品、医药、化妆品、摄影行业，但是同时存在色、味瑕疵的产品，如何开发高值化利用技术，解决环境污染和保护问题迫在眉睫。该论文报告了一种通过简单的蛋白质链网络修复策略制备的新型鱼蛋白胶（FG）改性聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶电解质。优化的FG/PAM水凝胶电解质仅含有1 M ZnSO₄电解质盐，具有优异的机械性能，使锌离子电池具有柔性无枝晶和延长寿命的特性。这项研究为农副产品破解环境污染和高值化利用难题提供了一种交叉学科的思路和方法。

6.未来展望：FG/PAM水凝胶的天然来源和低成本特性使

其在可穿戴设备、柔性电子等领域具有广阔应用前景。下一步研究可优化FG的长期稳定性，并探索其在其他金属离子电池（如钠离子、镁离子电池）中的适用性。FG/PAM水凝胶不仅提升了电池性能，还因其柔性和生物相容性，成为下一代柔性储能设备的理想选择。

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文章链接

A fish-gelatin-modified multifunctional hydrogel with “salt-in-water” for dendrite-free flexible zinc-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166945

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通讯作者简介

涂宗财教授简介：博士，二级教授，博导，江西师范大学国家淡水鱼加工技术研发专业中心主任，“十四五”国家重点研发计划专项项目首席科学家，南昌大学食品科学与技术国家重点实验室学科带头人，江西省优势科技创新团队带头人，江西省省级示范研究生导师创新团队带头人。是“新世纪百千万人才工程”国家级人选，享受国务院特殊津贴专家，全国优秀科技工作者等。主要从事农产品加工及副产物综合利用研究，先后主持国家和省部级项目80余项，完成省级成果鉴定21项；为100多家企业提供了技术服务，累计产生经济效益百亿元以上；在国内外权威期刊上发表学术论文300多篇，其中SCI收录200余篇，出版学术著作9部；获授权发明专利51件；获得省部级科技成果一等奖4项，二等奖8项，省级教学成果一等奖2项。

沙小梅教授简介：博士，江西师范大学教授、博士生导师，国家大宗淡水鱼产业技术体系副产物综合利用岗位科学家、江西省大宗淡水鱼产业技术体系加工岗位科学家、江西省特殊食品技术专家。入选江西省“双千计划”，主要研究方向是淡水鱼精深加工及副产物综合利用，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等国家及省部级项目12项，发表学术论文125篇（其中SCI论文60篇，一区SCI论文28篇），申请国际国内发明专利60余件（其中授权26件）。其博士论文获评江西省优秀博士学位论文，获第一届全国博士后创新创业大赛金奖1项、江西省教学成果一等奖2项、江西省科技进步一等奖和二等奖各1项、全国商业科技进步一等奖1项、教育部科技进步二等奖1项。

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第一作者简介

程文龙，男，1991年生，博士研究生（江西师范大学），江西省农业科学院农产品加工研究所助理研究员，长期从事农产品加工研究。近两年先后参与江西省重点研发计划、江西省现代农业产业联盟项目、企业委托横向等6余项；在核心杂志发表论文7余篇；申请发明专利10余项，目前已获得授权1项；参与《芦笋绿茶加工技术规程》省级地方标准的编制；2025年获聘任《Advanced Functional Foods》杂志青年编委；2021年获聘任《中国果菜》杂志青年编委；同时担任Food Research International.，Food Bioscience，International Journal of Biological Macromolecules等国际期刊审稿人。