第一作者：林德武
通讯作者：张文军、洪果、杨程凯
论文DOI：10.1126/sciadv.adx9812
近日，香港城市大学张文军、洪果团队、北京大学张锦、林德武团队、福州大学杨程凯团队共同合作，提出了一种将单壁碳纳米管（SWCNTs）嵌入聚丙烯酰胺水凝胶中的纳米流体工程方案，用以解决柔性电池中准固态聚合物电解质（QSPEs）在高电流下离子传输效率受限的问题。通过光引发聚合方式，在水凝胶网络中实现了均匀分布的 SWCNT 离子通道，使材料在保持聚合物基体结构完整性的同时，实现30.3 mS cm-1的高离子电导率。基于该电解质构建的半电池在长期极限条件下保持稳定运行，而全电池在超高倍率与低温条件下亦展现出可靠性能。该策略为柔性储能系统在快速充放电、低温环境与结构耐久性之间的平衡提供了新的材料设计思路。相关成果以“Nanofluidic-engineered carbon nanotube ion highways in hydrogels enable high-power aqueous zinc-ion batteries”为题，于 2025 年 11 月 21 日发表在《Science Advances》期刊上。
近年来，柔性可穿戴电子设备的快速发展，对兼具机械柔性与高电化学性能的储能系统提出了更高要求。由于安全性高、环境友好及理论容量可观，水系锌离子电池逐渐成为这一领域的重点候选体系。然而，其核心瓶颈在于准固态聚合物电解质普遍存在离子传输受限的问题：传统水凝胶基体（如 PVA、PAM、PAA 等）因聚合物链之间的空间阻碍以及功能基团与 Zn2+强相互作用，通常电导率难以超过 20 mS cm-1，且在高电流密度或低温条件下会迅速失去稳定性。另外，缺乏明确的物理离子通道使Zn2+在电解质中迁移路径弯曲，易与聚合物发生频繁碰撞，从而引发结构损伤和副反应，严重限制了锌电池在快速充放电和极端环境中的应用。为突破这一离子传导瓶颈，构建具有明确界面和低摩擦特性的纳米级传输通道，被认为是提升准固态聚合物电解质中离子动力学的有效策略。
1. 限域纳米管构建清晰Zn2+传输主通道：SWCNT在水凝胶内部形成一维连续路径，使 Zn2+迁移由原本的弯曲扩散转变为限域通道传输，改变了准固态聚合物电解质中传统的离子输运模式。
2. 大幅提升准固态电解质的导电率与结构稳定性：得益于纳米管内部的超润滑环境，电解质的离子电导率提升至 30.3 mS cm-1（约为传统PAM的2倍），显著降低Zn2+的迁移能垒；同时避免高电流密度下电解质结构受损，使 Zn||Zn 电池可稳定运行7000 小时，展现出卓越耐久性。
3. 支撑极端条件下的电池稳定工作：在 Zn||ZVO 全电池中，可在40 A g-1（>130C）下稳定循环2000次并保持80%容量，并在-15°C低温环境下仍保持良好放电性能，兼具高功率、快充放与低温适应能力，验证其面向可穿戴与极端环境储能的应用潜力。
图1. SWCNT 复合水凝胶电解质的制备与表征。(A、B) 示意图：(A)离子在CPAM中沿 SWCNT 通道快速传输；(B)离子在传统 PAM 中呈弯曲迁移路径。(C)CPAM的制备流程：采用光引发聚合方法；右侧照片为使用0.1 mg/ml SWCNT溶液制得的水凝胶。(D)CPAM 的 SEM 图像。(E)CPAM 与PAM 的拉曼光谱。(F)从CPAM中分离的SWCNT在循环前后的TEM 图像。(G)不同水凝胶的离子电导率。(H)CPAM与PAM的离子电导率随温度变化关系。(I)CPAM与PAM的离子电导率随含水量变化关系。
图2. CPAM中的离子传输机制。(A)CPAM的原位拉曼表征示意图。(B)施加的电流及对应的电压响应。(C、D)原位拉曼等高线图：(C)G带，(D)RBM带，激发激光为532 nm。(E)通过MD模拟获得的CPAM分子构型快照。(F)Zn2+在SWCNT内外的MSD。(G)Zn2+−O(H2O)的RDF和配位数。(H)CPAM分子构型中Zn2+的传输轨迹快照。(I)对应Zn2+传输轨迹的三维图。(J)CPAM中三种离子传输机制的示意图。
图3. 通过调节SWCNT关键参数来优化CPAM。(A)影响CPAM性能的五个关键SWCNT参数。(B)SWCNT结晶度随超声时间的变化；插图为对应的D带拉曼光谱。(C)SWCNT浓度和超声时间对离子电导率影响的等高线图。(D)CPAM中定向排列的SWCNT和随机SWCNT的拉曼等高线图。(E)具有随机和定向排列的SWCNT通道的CPAM中，IG/I-CH2随样品旋转角度变化的极坐标图。(F)具有随机和定向排列的SWCNT通道的CPAM的EIS曲线及对应的离子电导率。
图4. CPAM和PAM的电化学性能。(A)在1.0 mA cm−2电流密度下的恒电流计时电位测试。(B)Zn/Gel/Cu电池在1.0 mA cm−2电流密度下的库仑效率。(C)Zn/Gel/Zn对称电池在1至50 mA cm−2逐步增加电流密度下的倍率性能。对称电池在(D)1 mA cm−2和(E)20 mA cm−2下的长循环性能。(F、G)PAM和CPAM电解质在20 mA cm−2循环100次后的形貌表征。
图5. 基于CPAM和PAM的Zn||ZVO全电池性能。(A)全电池在1至100 A g−1电流密度下的倍率性能。(B)CPAM在递增电流密度下的充放电曲线。(C)CPAM与已报道的其他水凝胶电解质倍率性能的对比（1 C≈300 mA g−1）。(D)Zn//ZVO全电池在40 A g−1高电流密度下的长循环性能。(E、F)Zn//ZVO电池在40 A g−1下的原位EIS图谱。(G)CPAM在40 A g−1下的充放电曲线。(H)Zn//ZVO全电池在-15°C下的循环性能。(I)3×3 cm2软包电池在弯折条件下的循环性能。(J)CPAM相较原始PAM水凝胶的性能优势展示。
本研究提出了一种利用单壁碳纳米管构筑纳米流体通道的水凝胶电解质，通过光引发聚合实现了高离子电导率与结构稳定性的兼顾。分子动力学模拟揭示了三种协同的离子传输路径，其中碳纳米管内部的限域通道具有最高的离子迁移速度。得益于这一设计，电解质在对称电池和全电池中均展现出优异的高倍率性能、长循环稳定性以及良好的低温适应能力，并在软包电池中体现出可靠的机械柔性。该工作证明了通过构建明确且连续的纳米传输通道，可以有效突破准固态电解质在离子传导与机械性能之间的长期权衡，为未来开发兼具高功率、长寿命与环境适应性的柔性储能器件提供了一条可行的设计策略。
Lin, D., Li, J., Wang, M., Jian, M., Pan, R., Liu, Y., ... & Zhang, W. (2025). Nanofluidic-engineered carbon nanotube ion highways in hydrogels enable high-power aqueous zinc-ion batteries. Science advances, 11(47), eadx9812.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx9812
林德武教授简介：林德武，现任北京大学深圳研究生院研究员、博士生导师。2020年于北京大学获得博士学位。2021-2025年先后于日本国立产业技术综合研究所（AIST）以及香港城市大学（CityU HK）从事博士后研究。长期致力于碳纳米管结构精准调控与规模化制备技术研究，以解决碳纳米管原材料制备以及传统能源存储技术瓶颈为攻关方向，通过结合人工智能辅助设计策略，系统性构建了从材料制备、结构组装到器件应用的全链条创新体系，着力推进纳米碳材料从实验室研究到产业化应用的深度转化。在Sci. Adv., Adv. Energy Mater.等期刊发表学术论文30余篇，授权中国发明专利2项。
张文军教授简介：张文军教授于1994 年于兰州大学获得博士学位，现任职香港城市大学材料科学与工程系讲座教授，超金刚石及先进薄膜研究中心（COSDAF）主任，香港城市大学工学院副院长。其研究方向涉及金刚石及相关材料的制备与应用﹑纳米材料与器件﹑表面与界面分析等，在 Science、Chemical Society Reviews、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等国际期刊上发表论文400余篇。
洪果教授简介：洪果教授于2011年在北京大学获得博士学位，先后在香港城市大学（2011-2013），瑞士苏黎世联邦理工学院（2013-2016）从事博士后研究工作，2017-2022任澳门大学助理教授和澳门物理学会副理事长，并将于2023年1月任职香港城市大学材料系。洪果教授的研究领域主要包括二次电池（锌/钾/锂离子电池）、柔性器件、热管理以及低维纳米材料等，获批科研经费1000余万港币，发表学术论文90余篇，申请发明专利15项。近年，洪果教授课题组的研究取得重大进展，发表学术论文40余篇，包括Nature Communications、Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters, ACS Energy Letters, InfoMat, Energy Storage Materials, Nano Energy, Advanced Science等。
杨程凯教授简介：杨程凯，现任福州大学材料科学与工程学院副教授，硕导。研究工作围绕电极表界面调控和溶剂化调变规律开展工作，提出了锂离子电池三元正极材料内部结构，并研究内部界面破碎规律，提出链反应机理并设计优化改进方案，拓展了电解质构造新方法，并给出特定溶剂化环境下的离子迁移动力学，并针对经典正负极材料进行改性应用。相关工作申请获批国家自然科学基金、福建省自然科学基金、山西省科技厅重点项目及山东海化横向项目等多个项目。
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