水系锌金属电池（AZMBs）因其电解质固有的安全性，以及锌金属负极的高理论容量、低氧化还原电位和丰富的地壳储量，在大规模储能应用（如电网调峰）中展现出巨大潜力。然而，电化学体系会自发发生熵增，高活性的水系环境容易引发非预期的行为。通常，锌离子在界面非均匀电场作用下易迁移聚集形成枝晶，而电极晶格内电荷分布不均则会诱发分解副反应等。这导致锌负极枝晶生长、正极活性物质溶解以及迟缓的Zn2+扩散动力学等关键问题。理论上，需要通过有序的离子/电荷传输和反应过程来抑制这些副反应，但这类熵减机制似乎与主流的高熵策略形成悖论关系。因此，从熵的角度调控离子传输与电子相互作用之间的微妙平衡至关重要。
近日，中南林业科技大学的刘哲轩、罗勇锋教授与中南大学的方国赵教授系统总结了熵解耦原理，并揭示了多尺度结构间的相互作用机制。相较于传统对电极和电解质优化策略的视角，本文特别聚焦于熵对离子扩散行为的影响规律，以及通过仿生材料实现熵解耦的作用机理。
1. 首次提出“熵解耦”概念
熵主要可分为构型熵（Sconf），用于量化系统内部结构排列的随机性和多样性，以及逾熵（Sex），用于描述由电荷主导的相互作用（如粒子吸附、聚集和络合）引起的偏离理想平衡状态的程度。有序仿生材料可以实现Sconf和Sex之间的解耦。
图1. 仿生材料中熵解耦的示意图。
2. 建立仿生材料有序性分类框架
仿生有序性涵盖形貌结构有序性、分子排列有序性和电荷分布有序性三个维度。借助仿生材料这些独特的有序特性，熵工程可显著提升AZMBs中的离子迁移效率。熵解耦仿生系统与传统低熵/高熵系统存在本质差异。熵解耦仿生系统通常通过协同利用一种或多种仿生特性，实现低Sconf与高Sex的协同作用。这种与传统体系中单一熵调控截然不同，成功解决了电池系统高反应活性与弱副反应之间的固有矛盾。
图2. 多纬度有效性比较分析：熵解耦仿生系统、传统高熵系统与传统低熵系统。
3. 阐明仿生材料实现熵解耦功能的机制
随着电解质体系中其他物种类型和比例的增加，当吉布斯自由能波动超过临界阈值时，溶剂化鞘层可能发生重组。本质上，电双层的构成源于静电相互作用与熵驱动力的竞争。静电相互作用倾向于吸引带相反电荷的离子，形成更紧密的吸附层；而熵驱动力则促使形成更厚、更无序且电势梯度更平缓的双层结构。通过熵策略可以实现晶格结构的精确设计，有效抑制循环过程中离子嵌入/脱出导致的晶格变化和畸变，从而提升电极的结构稳定性
图3. 离子传输过程中的熵效应。a) Zn2+溶剂化结构及重构策略。b) 通过调控H2O分子的四面体熵和氢键网络增强质子传输。c) 由于熵效应的多面性，多个关键参数影响电双层。d) 熵效应对离子晶格扩散影响的示意图。
结论与展望
本综述从熵的角度提出了“熵解耦”的概念，为利用有序仿生材料调控AZMBs中的复杂传质行为提供了理论框架。通过模拟生物系统的形貌结构有序性、分子排列有序性和电荷分布有序性，这些材料能够独立调控构型熵和逾熵。这巧妙地满足了AZMBs在多尺度上对有序但高活性反应看似矛盾的需求，从而精准应对了AZMBs面临的主要挑战，包括锌阳极枝晶生长、界面副反应以及阴极结构退化。未来该方向需聚焦四大关键方向：熵与电化学之间的关联；仿生材料的理性设计；在水环境中质子和界面的研究；人工智能辅助理解电化学熵效应。
图4. 熵解耦仿生材料关键研究领域的前景。
该文发表在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition 上。文章的第一作者是中南林业科技大学硕士研究生尹伟。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Understanding the Entropy Decoupling for Ion Transport in Ordered Biomimetic Materials Toward Durable Aqueous Zinc Metal Batteries
Wei Yin, Yicai Pan, Jie Luo, Zhaoshuang Li, Shuquan Liang, Zhexuan Liu, Yongfeng Luo, Guozhao Fang
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202522157
通讯作者简介
刘哲轩，中南林业科技大学化学与化工学院教师，Adv. Powder Mater.、Carbon Neutralization青年编委。主要从事水系锌锰电池、生物质衍生材料、界面电化学过程等方面的研究。目前以第一作者/通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem.、Nat. Commun.、Prog. Mater. Sci.、Natl. Sci. Rev.等国内外重要期刊发表论文二十余篇。
罗勇锋，中南林业科技大学教授，博士生导师，中南林业科技大学树人学者“教学名师”，荣获2020年湖南省科学技术创新团队奖等。主要从事生物质炭功能材料、能源与催化领域研究。近年来在Nature Photonics、Adv. Mater.、Angew. Chem.、《物理学报》等国内外学术期刊发表论文近80篇，以第一发明人申请发明专利15项（已授权10项），主持和参与国家自然基金重点项目、国家自然基金、湖南省自然基金等科研项目20余项。担任Advanced Materials等国际顶级期刊审稿人，担任国际学术期刊Forests编委会成员，担任Forests、Journal of Nanomaterials 和Journal of Nanotechnology 客座主编。
https://www.x-mol.com/groups/yfluo
方国赵，中南大学教授，博导。主要从事低成本储能二次电池关键材料研究和技术开发，主持国家自然科学基金重大研究计划培育项目、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目(2项)等。获得湖南省自然科学二等奖、第二届水系电池国际研讨会eScience水系电池新锐奖、National Science Review 优秀论文奖、Advanced Powder Materials 杰出贡献奖、eScience杰出贡献奖。入选，湖南省科技领军人才，湖湘青年英才(科技创新)，湖南省优青，小米青年学者等人才计划。
https://www.x-mol.com/university/faculty/440992
