兰州理工大学纺织工程专业硕士研究生在《Chemical Engineering Journal》期刊双连击

第一作者：张天芸，吴娇娇

通讯作者：张天芸*，冉奋*

单位：兰州理工大学

锌金属电池的正极是一个整体，由活性材料、导电剂、粘结剂和集流体组成。然而，大多数研究只关注活性材料，对其改进有限。在电池循环过程中，二氧化锰正极材料易出现严重而复杂的相变，甚至结构坍塌，导致容量大幅衰减。在第一项研究工作中，通过“里应外合”的策略调节了表面键合网络和内部晶体结构以提高柔性二氧化锰正极的锌储存能力。在第二项研究工作中，甘草酸二次掺杂聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）的拓扑互连网络作为导电添加剂促进了Zn||MnO₂电池的H⁺储存。兰州理工大学纺织储能研究团队的这两项工作均为设计柔性锌金属电池用高性能二氧化锰正极提供了有效策略。

基于此，兰州理工大学张天芸副教授和冉奋教授研究团队的硕士研究生吴娇娇接连在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表两篇研究文章。分别题为“Regulating Surface Bonding Network and Inner Crystal Structure to Boost Zn Storage Capacity of Flexible MnO₂ Cathode”和“Glycyrrhizic Acid Secondary Doping PEDOT: PSS as Conductive Additive to Facilitate H⁺ Storage for Flexible Zn||MnO₂ Batteries”。文章1通过“里应外合”的策略调节了表面键合网络和内部晶体结构以提高柔性二氧化锰正极的锌储存能力。在内部，PEDOT 预插层作用扩大了MnO₂层间距并稳定了 MnO₂ 的晶体结构；在外部，PEDOT: PSS 和 液态金属GaInSn组成的复合粘结剂保证了MnO₂ 在锌金属电池中的容量和稳定性。文章2首次制备的甘草酸二次掺杂PEDOT: PSS导电网络为MnO₂活性颗粒提供了完整的导电通道，为离子传输提供了丰富的孔隙，从而优化了电荷转移路径并增加了 H⁺ 储存。

图 1 a) MP@PP/LM 正极的“里应外合”的策略设计示意图；b) MP@PP/LM 正极折叠后的数码照片；c) MP@PP/LM 正极在电解液中的数码照片；d) CV 曲线；e) EIS 曲线；f) 不同电流密度下的倍率性能和 g) 容量保持率。

通过“里应外合”的策略设计调节表面键合网络和内部晶体结构，提高MnO₂正极的锌储存能力。在内部，PEDOT预插层扩大了层间距，稳定了MnO₂的晶体结构；在外部，PEDOT: PSS和液态金属GaInSn组成的复合粘结剂保证了MnO₂ 在锌金属电池中的容量和稳定性。

要点二：粘结剂组分的设计

通过结合液态金属的流动性与PEDOT: PSS的柔韧性，组成的复合粘结剂可适应MnO₂结构和体积的变化，抑制其结构变形甚至坍塌。PEDOT: PSS有效封装液态金属GaInSn，具有物理交联、静电和离子-偶极子等多种非共价键相互作用，增加了MnO₂的活性接触点，加快电子/离子传输。

要点三：柔性电池的应用

组装的柔性锌金属电池具有良好的机械性能和电化学稳定性，在不同弯曲角度（180°、120°、60°和0°）下，比容量基本保持不变。

Regulating Surface Bonding Network and Inner Crystal Structure to Boost Zn Storage Capacity of Flexible MnO₂ Cathode

图 2 a) MnO₂正极的特点； b) MnO₂@PP-GL正极的特点；c) PEDOT: PSS 被甘草酸二次掺杂后导电性增强的机理示意图。

甘草酸作为“质子库”二次掺杂PEDOT：PSS首次被设计为导电添加剂促进Zn||MnO₂电池的H⁺储存。含有特定基团（-COOH）的甘草酸通过强离子键配位并局部质子化PEDOT:  PSS，构建的导电网络提供了良好的电子和离子界面传输，确保MnO₂活性材料和集流体之间的高导电性。

要点二：掺杂导致结构变化

甘草酸调整了 PEDOT: PSS 的化学结构，使其具有良好的界面电子和离子传输性能。导电率增强的原因是质子化和相分离的协同作用。一方面，甘草酸可以质子化PEDOT: PSS，诱导PEDOT链的结构重排，其构象从苯型到醌型转变，从而产生具有物理交联的导电网络。另一方面，甘草酸的电荷屏蔽导致相分离，削弱了PEDOT与PSS之间的静电相互作用，形成PSS与部分PEDOT相分离的状态，从而有效提高其电子导电性。

要点三：柔性电池的应用

组装的柔性电池在不同弯曲角度下可稳定工作，即使柔性电池完全对折，也可以持续为发光二极管供电，具有良好的实际应用前景。

Glycyrrhizic Acid Secondary Doping PEDOT: PSS as Conductive Additive to Facilitate H⁺ Storage for Flexible Zn||MnO₂ Batteries

张天芸副教授简介：工学博士/副教授/硕士生导师。本科、硕士、博士均毕业于东华大学纺织工程专业。美国加州大学圣塔芭芭拉分校访问学者。主要研究纺织储能、纤维基能源材料以及废弃纺织品再利用与纤维再生。主持国家自然科学基金、甘肃省青年人才项目、中国博士后面上和特助、甘肃省自然科学基金等项目10项，省部级以上课题6项，发表SCI论文40余篇。入选“甘肃省青年人才”和“兰州理工大学红柳优秀青年人才”项目。

吴娇娇简介：2022年6月本科毕业于南通大学纺织工程专业。2022年9月至今，在兰州理工大学机电工程学院攻读纺织工程硕士学位。获得兰州理工大学一等学业奖学金。公开发表的代表性学术成果：

[1] Tianyun Zhang*（导师）, Jiaojiao Wu（共同一作）, Fen Ran*, Poly（3,4-Ethylenedioxythiophene） as Promising Energy Storage Materials in Zinc-Ion Batteries, Macromolecular Rapid Communications, 2024, 45, 2400476. （ IF=5.4, 中科院3区）

[2] Tianyun Zhang*（导师）, Jiaojiao Wu（共同一作）, Yanci Wang, Lirong Zhang, Fen Ran*, Regulating Surface Bonding Network and Inner Crystal Structure to Boost Zn Storage Capacity of Flexible MnO₂ Cathode, Chemical Engineering Journal, https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161240（IF=13.4, 中科院1区，TOP期刊）

[3] Tianyun Zhang*（导师）, Jiaojiao Wu（共同一作）, Yanci Wang, Lirong Zhang, Fen Ran*, Glycyrrhizic Acid Secondary Doping PEDOT: PSS as Conductive Additive to Facilitate H⁺ Storage for Flexible Zn||MnO₂ Batteries, Chemical Engineering Journal, 2025, 509, 161240.（IF=13.4, 中科院1区，TOP期刊）