『水系锌电』南京大学-姚亚刚团队︱纤维状水系锌离子电池研究进展AEM:从结构、原理、问题到策略

综述背景

柔性可穿戴电子、智能纺织、健康监测和便携通信等应用快速发展，对储能器件提出了更高要求：既要具备可靠的能量输出，又要满足安全、低成本、轻量化、可弯曲和可编织等需求。传统刚性电池难以适应复杂形变，含有机电解液的电池体系又存在可燃性、制造条件要求高等问题。因此，兼具本征安全性和较高离子传输能力的水系储能体系受到广泛关注。

综述内容

针对上述问题，南京大学姚亚刚教授、安阳师范学院李朝威副教授等在Advanced Energy Materials发表题为“Recent Advances of Fiber-Shaped Aqueous Zinc Ion Batteries: From Structure, Principles, Issues to Strategies”的综述论文。文章围绕纤维状水系锌离子电池的“结构—原理—问题—策略”主线，系统总结了近年来该领域在纤维锌负极、纤维正极、凝胶电解质、封装材料和器件构型方面的研究进展。

该文指出纤维状器件区别于平面水系锌离子电池的核心科学问题：一方面，纤维电极高曲率会导致局部电场和离子通量分布不均，加剧锌枝晶和副反应；另一方面，反复弯曲、扭转和编织过程中会产生拉伸/压缩应力差异，引发活性材料开裂、脱落和界面分离。文章进一步提出，未来FAZIBs的性能提升需要从单一材料优化转向电极结构、界面工程、电解质化学和封装策略的多层级协同设计。

图1.综述的主要内容

图文导读

(1)系统梳理FAZIBs的组成与结构。文章指出，典型FAZIBs主要由纤维锌负极、纤维正极、凝胶电解质和封装材料构成。纤维锌负极可采用锌线、碳纳米管纤维负载锌或锌粉/聚合物复合纤维等形式；纤维正极常见材料包括锰基氧化物、钒基氧化物和普鲁士蓝类似物；凝胶电解质则兼具离子传导、隔膜和力学缓冲功能；封装材料用于抑制水分流失、阻隔外界环境并维持器件结构完整性。在器件结构方面，文章重点比较了平行、同轴和缠绕三类典型结构，指出缠绕结构在应力分散、界面接触和实际编织应用方面具有较好潜力。

图2.FAZIBs的三类典型结构：平行结构、同轴结构和扭绞结构

(2)阐释FAZIBs的能量存储与柔性机制。在电化学机制方面，正极主要涉及Zn²⁺/H⁺嵌入/脱出、化学转化反应和有机活性位点配位反应等；负极则以金属锌的可逆沉积/剥离为主，也包括部分Zn²⁺嵌入型负极机制。在柔性机制方面，文章将材料屈服强度、杨氏模量、弯曲半径和弯曲刚度等参数引入分析框架，强调柔性电池不仅要“能弯”，还要在弯曲过程中维持稳定的离子/电子传输和界面接触。

图3.正极储能机制示意，包括离子嵌入/脱出、转化反应和配位反应等

(3)总结限制FAZIBs面临的关键失效问题。FAZIBs的失效不是单一因素导致，而是电化学反应、凝胶电解质、界面结构和力学变形共同作用的结果。具体包括：纤维锌负极曲率诱导的电场集中会促进枝晶生长；水系凝胶中水分子活性较高会引发析氢反应，并进一步导致局部OH⁻浓度升高和碱式硫酸锌等钝化副产物形成；正极活性物质在水系环境中可能发生溶解，反复弯曲又会造成活性层开裂和脱落；此外，金属锌与软凝胶之间模量不匹配会诱导界面分离，造成电荷转移受阻和内阻升高。

图4. 锌负极曲率效应、析氢和钝化相关失效问题

(4)概括提升FAZIBs稳定性的代表性策略。针对锌负极，可通过三维导电骨架、亲锌修饰层、人工界面层、合金化以及结构设计来均匀锌沉积并抑制枝晶和析氢。针对凝胶电解质，可通过调控Zn2+溶剂化结构、降低自由水活性、构建双网络或多组分复合凝胶、引入自修复/耐温/抗脱水功能来改善离子传输和界面稳定性。针对正极，可采用离子掺杂、表面包覆、阵列化生长和柔性导电网络增强活性物质与纤维基底的结合。针对界面问题，则需通过黏附增强、原位聚合、双层凝胶和自修复凝胶等方式维持长期稳定的电极/电解质接触。

图5. 面向电极/凝胶电解质界面稳定的代表性凝胶策略，包括黏附增强、温度响应、自修复和双层凝胶电解质等

总结与展望

该综述为纤维状水系锌离子电池建立了较完整的知识框架。FAZIBs正处于从“可弯曲功能展示”向“长期稳定服役器件”转变的关键阶段。未来的研究重点不应仅停留在单一材料容量提升或单一凝胶配方优化，而应围绕纤维电极结构、凝胶电解质化学、界面工程、封装可靠性和器件制造工艺开展协同设计。

未来研究可重点围绕以下方向展开：第一，建立适用于高曲率纤维锌负极的沉积调控策略，实现动态变形条件下的均匀Zn沉积/剥离；第二，开发兼具高负载量和高柔性的纤维正极，解决能量输出与形变稳定性之间的矛盾；第三，构筑多功能凝胶电解质，使其同时具备抑制副反应、缓冲应力、修复界面、耐低温/高温和抗脱水等功能；第四，结合原位表征、AI和多物理场模拟，预测枝晶萌生、界面脱粘、应力分布和离子浓度场演化；第五，建立面向实际应用的统一评价标准，将动态弯曲循环、长期服役稳定性、多器件串并联输出、封装可靠性和洗涤耐受性等纳入评价体系；第六，推动连续化制备、可靠封装和智能纺织集成，促进FAZIBs从实验室演示走向实际可穿戴电源。

简而言之，该综述为纤维状水系锌离子电池的后续研究提供了较完整的知识图谱和问题导向。其启示在于：未来高性能FAZIBs的突破不应仅依赖单一高容量材料或单一凝胶配方，而应通过纤维电极结构设计、凝胶电解质调控、界面黏附增强和封装制造工艺的协同优化，实现高能量密度、高柔性和长寿命之间的平衡。

图6. FAZIBs未来发展方向：高稳定纤维锌负极、高性能纤维正极、多功能凝胶电解质、AI辅助设计、统一评价标准和规模化制造

文献信息

Title:Recent Advances of Fiber-Shaped Aqueous Zinc Ion Batteries: From Structure, Principles, Issues to Strategies

Authors:Chaowei Li*; Wenhui Wang*; Yinhao Xiao; Wubin Zhuang; Zihan Wang; Kai Zhang; Yun Tan; Lin Lin; Sehan Cheng; Yagang Yao*

Published in:Advanced Energy Materials

https://doi.org/10.1002/aenm.71175

团队介绍

姚亚刚，南京大学教授，教育部长江学者，国家优青，海外高层次青年人才。一直从事低维材料的控制合成及其在柔性储能器件和热管理中的应用研究。已在 Nature Mater.、Nature Nanotechnol.、JACS、Adv. Mater.、Nano. Lett.等杂志发表SCI论文280余篇，论文被他人引用29000余次，H 因子80。曾主持科技部重点研发计划项目及课题、基金委海外合作和面上项目等。曾获得全国百篇优秀博士学位论文、江苏省双创人才、江苏省优秀博士和硕士论文指导老师。

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