天津工业大学康卫民/邓南平课题组， ACS Nano综述观点：仿生结构材料在高性能锂金属电池固态电解质中的应用

第一作者：冯晓帆

通讯作者：康卫民*，邓南平*

单位：天津工业大学

固态锂金属电池由于其高能量密度和显著提高的安全性，在储能研究中受到了广泛的关注。但在锂枝晶生长、界面稳定性和室温实用性方面仍存在一定的问题。大自然不断激发人类的发展和复杂的设计策略，以实现最佳的结构应用。创新的固态电解质（SSEs）受到多种自然物种的启发，表现出卓越的物理、化学和机械性能。

近日，来自天津工业大学康卫民教授、邓南平副教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Review: Application of Bionic-Structured Materials in Solid-State Electrolytes for High-Performance Lithium Metal Batteries”的观点文章。该观点文章综述了仿生结构材料在固态锂金属电池中的应用，特别是模拟植物和动物结构的仿生结构材料的研究进展。文章从植物的根、茎、叶、花、果实和细胞结构等方面详细介绍了仿生策略对SSEs设计和电化学性能的影响。随后，讨论了受动物二维和三维结构启发的纳米结构材料用于SSE中的最新进展。最后，对当前面临的挑战进行了评价，并对未来的研究方向进行了简要展望。

从自然中设计、改造或获取生物灵感的实践被称为“仿生学”。它旨在模仿动物和植物界中的形成过程和结构，作为材料设计的基础。仿生学通过在技术上模仿自然，在短短几十年内取得了重大的研究进展。人们主要从自然界生物所表现出的特殊能力中学习。这扩展了知识，无疑将为科学和技术进步带来不同的观点和创新的原则和理论。仿生学的一些见解强调了自然界中生物的多样性，每种生物都有不同的能力，可以为SSE设计提供宝贵的灵感。事实证明，具有特殊结构的仿生材料也可以巧妙地解决纳米科学材料领域的重要问题。

日常生活中经常见到的植物在生存斗争中经历了漫长的进化和自然选择。尽管植物的结构看似简单，包括但不限于树木、木材、叶子、花朵、果实、细胞壁和细胞膜，但它们的具体功能已达到近乎完美的状态，人工设计无法超越。随着仿生学的巨大进步，具有内在自然美的植物已成为开发 SSLMB 结构材料的灵感来源。例如，一些受生物启发的系统，如树根或叶脉，在机械性能方面优于传统系统。此外，受木结构启发，精心设计垂直排列的短距离离子通道也能实现超快锂离子传导。此外，一些受仿生花、水果等自然结构启发的功能材料具有高比表面积，提供了许多离子接触点，暴露了大量的活性位点，可以有效地促进Li+的快速运输。植物细胞是设计仿生CSEs的绝佳模型，其中形成的细胞壁可以提供机械加固，细胞膜也可以实现选择性离子渗透，从而显着延长SSLMB的循环寿命。

通过实践，人类早已认识到动物具有许多超越人类普遍认知的功能和特征。为了解决复杂的技术挑战，人们也不断地从动物身上吸取教训，并通过模仿它们的结构、形态、功能和行为来设计和制造复合材料。迄今为止，模仿自然结构已经促使了广泛的生物启发结构的发展，这些结构具有目标特性或功能。受一些有趣的自然动物物种的启发，如薄片和网络组成的2D结构和球状、分层的3D结构。

生物体充满了自我保护、感知、调节和愈合机制，使它们能够适应和进化，以应对损害和其他环境变化。智能材料能够模仿在生命系统中观察到的自主保护、感知、愈合和再生能力，有可能提高许多制造产品的寿命、安全性和可持续性。将自响应和自修复能力整合到固体电解质中，，可以在指定的位置提供特定的触发响应，从而显著提高电池性能，减轻损伤，恢复电化学功能，或防止热失控，可以有效地促进更安全、更可靠的锂金属电池的开发，满足可持续发展的未来要求。

Review: Application of Bionic-Structured Materials in Solid-State Electrolytes for High-Performance Lithium Metal Batteries，2024，Acs Nano.

康卫民, 天津工业大学纺织科学与工程学院教授、博士生导师，中国纺织学术带头人、天津市中青年科技领军人才、全国纺织青年科技创新领军人才、天津市“131”创新型人才培养工程第一层次人选、天津市创新能手、天津市优秀科技工作者。康卫民教授长期从事纳微纤维材料理论研究、制备技术及应用开发，先后主持或参与国家级项目12项，天津市和企业项目20余项，研究成果荣获国家科技进步奖二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项、二等奖4项。

邓南平, 天津工业大学纺织科学与工程学院副教授、博士生导师，主要从事纳微纤维材料的制备及其在锂电池领域的应用研究，主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助项目等多项科研项目。以第一或通讯作者在AFM、ESM、Small、CEJ等期刊发表论文60余篇，4篇入选ESI高被引论文，论文总引用次数达4513次，h-index为40，于2021至2023年连续三年入选“全球前2%顶尖科学家榜单”。