随着电子皮肤、软机器人、智能纺织品等分散式低碳电子技术发展，储能系统需要同时兼顾机械柔性、本质安全与环境可持续性。柔性锌空气电池因具有1086 Wh kg⁻¹的高理论能量密度、不可燃水系电解质以及储量丰富的锌而备受关注，被视为可穿戴和分布式电子设备中有前景的替代方案。然而，其实际部署仍受限于运行寿命：多数已报道系统难以超过约400 h循环，无法满足真实应用对耐久性的要求。水凝胶电解质虽被广泛用于防止泄漏和脱水，但仅靠改善水化并未转化为耐久电池运行。文章指出，柔性锌空气电池的主要退化路径并非单纯电解质脱水，而是锌阳极处的充放电不平衡，导致不可逆ZnO积累和界面钝化；失效电池常保留相当水含量，却在阳极表面出现大量ZnO沉积。因此，需要调控Zn²⁺配位与界面化学，而非仅关注水管理。生物质衍生材料，尤其是木材加工副产物废木屑，具有层级组织和可持续优势，为耦合水化稳定性与离子调控的电解质设计提供了蓝图。

基于此，东南大学章炜教授课题组提出一种由木屑重建的仿生水凝胶电解质：分离纤维素和木质素，纤维素形成水合网络，提取的木质素作为外层保水层，模拟植物纤维—树皮层级结构。除水合作用外，该电解质通过磷酸基螯合剂、动态席夫碱配位和聚合物域实现三重Zn²⁺限域，稳定Zn²⁺、抑制ZnO积累，并在锌阳极维持界面反应平衡。采用该电解质的柔性锌空气电池实现124.9 mW cm⁻²的高功率密度、稳健机械适应性，并在1 mA cm⁻²下延长循环至600 h，同时可在低温和干燥条件下运行。该系统完全可生物降解且源于丰富生物质，表明耐久性来自层级离子调控和反应平衡控制，而非仅靠保水。

核心突破：从“脱水中心”到“反应平衡控制”

1. 失效机制再认识

传统PAA水凝胶电解质电池72小时失效，但失效时电解质仍保留51.5 wt%初始水分；更换锌负极后可继续循环40小时以上。SEM显示锌表面大量ZnO颗粒积累。结论：ZnO不可逆积累是主因，脱水只是加速因素。

2. 三重Zn²⁺限域策略

• HEDP磷酸盐螯合剂：强Zn²⁺亲和力（-2.42 eV），移动离子调节器；
• 席夫碱动态配位：醛基化纤维素与PAM形成C=N键，中等Zn²⁺亲和力（-1.09 eV）；
• 聚合物域（PAA羧基）：提供额外Zn²⁺配位位点（-1.90      eV），同时物理限域水分子。

梯度亲和力协同占据Zn²⁺水合位点，抑制Zn(OH)₄²⁻形成，将ZnO生成能垒提高近三倍（ΔG从5.64 eV升至15.29 eV），同时保持Zn↔Zn(OH)₄²⁻可逆性。

3. 仿生分级保水

纤维素富集内层提供水合网络，木质素富集外层模拟树皮疏水保护。7天后电解质保留90.41%水分，远超对照组。木质素优先富集在约0.2 mm表面深度，形成疏水屏障。

Fig. 1｜柔性ZAB失效机制与仿生电解质设计

(a) 传统PAA水凝胶电解质基准系统。(b) 仿生三重Zn²⁺限域示意图。(c-e) 失效后锌负极表面ZnO积累SEM。(f) 纤维素-木质素分级结构模拟植物纤维-树皮。

PAA电池72小时失效，但电解质仍含51.5%水分，锌表面大量ZnO。仿生设计：纤维素-DAC与PAM形成席夫碱配位，PAA提供羧基配位，HEDP提供磷酸盐配位，木质素外层保水。

Fig. 2｜PAC-HEDP水凝胶电解质结构、化学与电化学表征

(a) FT-IR。(b) C 1s XPS。(c) N 1s XPS。(d) SEM。(e) 应力-应变曲线。(f) Nyquist图。(g) 静态水分含量随时间变化。(h) 三维截面重构显示木质素分布。

FT-IR证实席夫碱C=N键（1660 cm⁻¹）和羧基（1700 cm⁻¹）保留。XPS显示C=N和N-C信号。PAC压缩强度239 kPa，断裂伸长率571%，优于PVA和PAA。离子电导率最优。7天水分保留90.41%。木质素表面富集在0.2 mm深度。

Fig. 3（文中未完整展示，依据文字描述）｜电化学性能

PAC-HEDP离子电导率最优，Zn/Zn对称电池稳定循环超650小时（PAA约300小时，PAC约480小时）。加速循环100小时后PAC和PAC-HEDP保持多孔结构，FT-IR无变化。9 M KOH浸泡1周后机械性能保持。

Fig. 4｜三重Zn²⁺限域界面演化与机理证据

(a) 循环100小时后锌负极SEM。(b) XRD。(c) ZnO积累定量。(d) 原位Raman。(e) 三维截面重构显示Zn²⁺浓度分布。(f) 原位O₂空间 mapping。

PAC-HEDP锌负极光滑致密，无ZnO衍射峰；PAA出现明显ZnO峰。ZnO积累在PAC-HEDP中30圈后稳定在~2.5%，PAA持续增加。原位Raman显示席夫碱C=N振动随循环增强。Zn²⁺浓度分布均匀。O₂ mapping显示PAA波动~8.6 ppm，PAC-HEDP仅~2-3 ppm。

Fig. 5｜三重Zn²⁺限域机理DFT计算

(a) Zn²⁺与功能基团结合能。(b) Zn→Zn(OH)₄²⁻→ZnO+H₂O转化Gibbs自由能。(c,d) PAA和PAC-HEDP中Zn²⁺和OH⁻扩散能垒。(e) COMSOL模拟电场和电流密度分布。

结合能：OH⁻（-2.23 eV）、HEDP（-2.42 eV）、羧基（-1.90 eV）、席夫碱（-1.09 eV），梯度协同。ZnO生成ΔG从5.64 eV升至15.29 eV，能垒提高近三倍。PAC-HEDP中Zn²⁺扩散能垒~1.2 eV，OH⁻几乎不变。COMSOL显示PAC-HEDP电场和电流密度均匀。

Fig. 6｜柔性ZAB性能与可持续性

(a) 不同弯曲角度下循环稳定性。(b) 串联电池点亮LED。(c) 手机充电。(d) 柔性腕带电池。(e) 与LFP、NCM锂电池环境性能比较。(f) 三种微生物菌株降解。

1 mA cm⁻²下0-180°弯曲稳定放电>1.3 V。串联点亮LED、手机充电、腕带集成。LCA显示PAC-HEDP ZAB环境负担显著低于NCM，与LFP相当或更优。可生物降解。

结论

总之，一种模拟树木分级离子传输的仿生生物质水凝胶电解质实现了耐用可持续的柔性ZABs。木质素富集外壳保水，纤维素主导内层网络结合动态席夫碱配位和磷酸盐螯合，提供多尺度Zn²⁺限域。这种三重限域策略稳定Zn²⁺形态，抑制ZnO积累，维持界面反应平衡，1 mA cm⁻²下稳定循环600小时，峰值功率密度124.9 mW cm⁻²，足以为智能手机和可穿戴设备供电。工程化水凝胶与柔性器件无缝集成，在低温和干燥条件下可靠运行，同时接近完全生物降解。结合原位分析和理论模拟表明，调控Zn²⁺动力学而非单纯保水对长期稳定性至关重要。本工作建立了机理驱动、仿生启发的设计范式，其中生物质增值和分级离子调控解锁下一代可持续高性能柔性储能系统。

总结

这项工作颠覆了“柔性锌空电池失效=脱水”的传统认知，指出ZnO积累才是根本原因。通过从木屑中重构纤维素-木质素分级水凝胶，结合HEDP、席夫碱和羧基三重Zn²⁺限域，将ZnO生成能垒提高近三倍，实现600小时稳定循环。木质素外层模拟树皮保水，7天水分保留90.41%。系统完全可生物降解，LCA显示环境负担显著低于NCM电池。对柔性储能而言，这是一种从“保水中心”到“反应平衡控制”的范式转变。

文献信息
T. Shui, Y. Liang, H. Zhang, et al. “Bio-Inspired Reconstruction of Wood-Chip Electrolytes Enables Triple Zn²⁺ Confinement for Durable and Sustainable Flexible Zinc-Air Batteries.” 

Advanced Materials (2026): e75386. https://doi.org/10.1002/adma.75386

文章来源：电解质前沿