隨著對可再生能源存儲需求的不斷增長，水系鋅離子電池（AZIB）因其高安全性、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)勢，被視為極具潛力的下一代儲能技術。然而，鋅負極在實際應用中面臨嚴峻挑戰(zhàn)，尤其是在高電流密度和高放電深度（DOD）條件下。傳統(tǒng)電解質(zhì)雖能在一定程度上抑制枝晶生長和副反應，但在極端工況下，鋅離子通量難以調(diào)控，導致沉積不均勻、析氫反應加劇及“死鋅”形成，嚴重制約了電池的循環(huán)壽命。盡管各向異性電解質(zhì)和界面工程等策略取得了一定進展，但多數(shù)研究局限于單一結構尺度，缺乏多尺度協(xié)同效應，難以從根本上解決高DOD下的鋅離子分布與沉積問題。

針對上述挑戰(zhàn)，中國林科院木材工業(yè)研究所盧蕓研究員團隊提出了一種創(chuàng)新的“木材結構電解質(zhì)”設計策略。該研究團隊受天然木材數(shù)百萬年進化出的高效離子傳輸結構啟發(fā)，開發(fā)出一種基于徑向脫木素木材（DW）與聚乙烯醇（PVA）復合的分級異質(zhì)互連結構（HHIS）電解質(zhì)。該電解質(zhì)通過徑向木材中橫向排列的導管、纖維細胞和木射線等通道，結合紋孔實現(xiàn)的物質(zhì)交換功能，有效調(diào)控了鋅離子的橫向通量，增加了成核位點密度，并顯著抑制了界面副反應。實驗結果表明，采用DW-PVA電解質(zhì)的Zn//Cu半電池實現(xiàn)了超過2200小時的穩(wěn)定循環(huán)和99.4%的平均庫侖效率；Zn//Zn對稱電池在不同電流密度下均展現(xiàn)出超長循環(huán)壽命，特別是在39.2 mA cm?2的超高電流密度和39.2 mAh cm?2的面容量（對應83.1%的高放電深度）條件下，實現(xiàn)了破紀錄的3300小時穩(wěn)定循環(huán)。相關論文以“Wood-Structured Electrolyte for Ultra-Stable Zinc-Ion Batteries Under High Discharge Conditions”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

示意圖1 三維木材結構與離子傳輸。從不同方向切割木材制備AZIB隔膜。軸向木材引起嚴重的尖端效應（1），而徑向木材調(diào)節(jié)鋅通量和沉積（2）。經(jīng)PVA處理后，Zn//Zn電池實現(xiàn)了延長的1000小時循環(huán)壽命（3）。

首先通過圖示詳細解析了天然木材的多級結構及其離子傳輸機制。圖1展示了木材中軸向?qū)Ч?、纖維細胞以及橫向木射線構成的復雜網(wǎng)絡，這些結構通過紋孔相互連通，為離子提供了橫向與縱向的多維傳輸路徑。研究團隊發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)觀念中追求的低迂曲度直通道，徑向切割的木材因其橫向排列的纖維素微纖絲網(wǎng)絡，能夠更有效地引導鋅離子均勻分布，避免局部積累。隨后，圖2通過電化學測試和表征對比了沿徑向、弦向和軸向切割的DW-PVA電解質(zhì)的性能。結果顯示，徑向DW-PVA組裝的對稱電池循環(huán)壽命（2100小時）遠超弦向（524小時）和軸向（322小時）。計時電流法（CA）分析和循環(huán)后鋅負極的掃描電鏡（SEM）圖像進一步證實，徑向結構有效抑制了鋅離子的二維擴散和局部尖端效應，實現(xiàn)了無枝晶的平滑沉積。有限元模擬（圖2f-h）和原子力顯微鏡（AFM）圖像（圖2i-k）也從理論和微觀形貌上驗證了徑向電解質(zhì)在均勻化電場和鋅離子濃度分布方面的優(yōu)勢。

圖1 木材基復合電解質(zhì)的結構設計與電化學性能比較。(a)天然木材結構示意圖，包括導管、纖維細胞和木射線組織。(b)木材中水分傳輸機制示意圖。(c)木材基復合電解質(zhì)(DW-PVA)的復合結構示意圖。(d)本研究開發(fā)的DW-PVA復合電解質(zhì)與先前報道體系在不同放電深度下長循環(huán)穩(wěn)定性比較。

圖2 木材三個切割面的電化學沉積性能。(a)DW橫截面及對應示意圖。(b)DW弦切面及對應示意圖。(c)三種取向（徑向、弦向、軸向）DW-PVA電解質(zhì)在2 mA cm?2-1 mAh cm?2條件下Zn//Zn電池的GCD性能，n=3。(d)鋅陽極成核位點的計時電流分析。(e)循環(huán)100小時后鋅陽極的數(shù)碼照片和SEM圖像。(f-h)鋅沉積性能的有限元模擬：(f)徑向DW，(g)軸向DW，(h)均質(zhì)玻璃纖維。(i)充放電循環(huán)200小時后的二維AFM圖像。(j)不同截面線的高度輪廓。(k)三維AFM圖像。

進一步的譜學分析揭示了DW-PVA電解質(zhì)在分子層面的作用機制。圖3所示的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和拉曼光譜表明，PVA與DW之間形成的強氫鍵網(wǎng)絡有效固定了水分子，削弱了自由水的活性，從而抑制了析氫反應。X射線光電子能譜（XPS）分析顯示，DW-PVA中豐富的羥基基團改變了鋅離子的配位環(huán)境，促進了[Zn(H?O)?]2?絡合物的去溶劑化過程。原位紅外光譜（圖3f-h）直觀地展示了在沉積過程中，DW-PVA電解質(zhì)界面處水分子信號迅速減弱，形成了貧水的微環(huán)境，有效抑制了副反應。這些分子層面的調(diào)控，結合宏觀的結構引導，共同構成了DW-PVA電解質(zhì)的雙重功能（圖4e）。

圖3 (a)DW、PVA和DW-PVA的FTIR光譜比較。(b)不同電解質(zhì)的拉曼光譜。(c)不同電解質(zhì)中陽極/電解質(zhì)界面Zn 2p的高分辨率XPS光譜。(d)GF、(e)PVA和(f)DW-PVA電解質(zhì)在沉積過程中電極/電解質(zhì)界面處的原位FTIR光譜。(g-i)(d-f)對應的局部放大圖。(j-l)不同電解質(zhì)在初始和最終沉積階段界面氫鍵網(wǎng)絡的高斯擬合分析。

在電化學性能評估部分，圖4展示了DW-PVA電解質(zhì)在各類電池中的卓越表現(xiàn)。Zn//Cu半電池在2 mA cm?2條件下實現(xiàn)了超過2200次循環(huán)且?guī)靵鲂矢哌_99.4%，而對照組的PVA和玻璃纖維（GF）電解質(zhì)則很快失效。圖4f-k匯總了Zn//Zn對稱電池在不同電流密度和放電深度下的循環(huán)性能，尤其在39.2 mA cm?2 - 39.2 mAh cm?2的嚴苛條件下，仍能穩(wěn)定循環(huán)3300小時，刷新了同類電池的記錄。圖5通過計時電流法、成核過電位分析、原位光學顯微鏡觀察以及AFM測試，深入剖析了DW-PVA促進均勻沉積的機理。結果表明，DW-PVA電解質(zhì)顯著降低了鋅的成核過電位，誘導了瞬時成核機制，從而在鋅負極表面形成了大量細小、均勻的晶核，避免了枝晶的生長。

圖4 長期電化學性能評估，n=3。(a)Zn/Cu電池的循環(huán)充放電曲線：（上）電壓-容量曲線，（下）三種不同電解質(zhì)下庫倫效率隨時間變化。(b-d)不同電解質(zhì)Zn/Cu電池中循環(huán)100小時后的Cu陰極SEM圖像。(e)DW-PVA電解質(zhì)雙重功能示意圖（結構導向和離子調(diào)控）。(f,g,k)Zn//Zn電池在0.5-0.25、10-5和39.2-39.2 mA cm?2-mAh cm?2電流密度/容量條件下的循環(huán)性能。(h-j)對應的局部放大圖。(l)Zn//Zn電池的倍率性能。(m)計算得到的交換電流密度。

圖5 (a)不同電解質(zhì)的計時電流曲線。(b)無因次(i/i?)2與(t/t?)的關系及理論模型擬合曲線。(c)Zn成核的CV曲線。(d-e)不同電解質(zhì)中鋅陽極的原位光學顯微鏡圖像。(f-g)DW-PVA電解質(zhì)中循環(huán)50小時和300小時后的Zn陽極SEM圖像。(h-i)PVA電解質(zhì)中循環(huán)50小時和300小時后的Zn陽極SEM圖像。(j,k,m,n)不同電解質(zhì)中循環(huán)100小時后Zn陽極的二維AFM圖像及對應截面線高度輪廓。(l,o)對應的三維AFM圖像。

研究團隊進一步將DW-PVA電解質(zhì)應用于Zn//V?O?全電池和軟包電池中，驗證其實用潛力。圖6顯示，采用DW-PVA的全電池展現(xiàn)出更高的氧化還原峰電流、更快的鋅離子擴散系數(shù)以及優(yōu)異的倍率性能。在5 A g?1的高電流密度下循環(huán)1000次后，容量保持率高達94.2%。圖7則展示了軟包電池的測試結果，在8 mA cm?2的電流密度下，DW-PVA基軟包電池可穩(wěn)定循環(huán)790次，遠超PVA（298次）和GF（14次）基電池，彰顯了其在實際應用中的巨大潛力。

圖6 Zn//V?O?扣式電池的電化學性能。(a)CV曲線。(b)靜置放電測試。(c)GITT曲線。(d)倍率性能和容量保持率。(e)5 A g?1條件下的充放電循環(huán)性能，n=3。

圖7 Zn//Zn軟包電池的電化學性能。(a,b)不同電解質(zhì)在8 mA cm?2-1.3 mAh cm?2條件下的循環(huán)性能。(c,d)DW-PVA電解質(zhì)在8 mA cm?2-1.3 mAh cm?2條件下的循環(huán)性能。(e,f)不同電解質(zhì)軟包電池循環(huán)后Zn陽極的SEM圖像。(g)DW-PVA軟包電池在彎曲和平坦狀態(tài)下的循環(huán)性能。(h,i)對應的充放電曲線。(j)DW-PVA軟包電池彎曲500次后點亮LED燈的光學圖像。

總而言之，這項研究通過模仿天然木材的多級異質(zhì)互連結構，成功設計出一種能夠從根本上調(diào)控鋅離子傳輸和界面沉積行為的電解質(zhì)。該策略打破了“直通道等于高效離子傳輸”的傳統(tǒng)認知，揭示了結構異質(zhì)性在調(diào)控離子通量和抑制枝晶生長中的關鍵作用。所構建的DW-PVA電解質(zhì)不僅實現(xiàn)了鋅離子電池在高電流密度和高放電深度下的超穩(wěn)定循環(huán)，也為未來高性能電解質(zhì)的設計提供了新的思路：即通過仿生結構工程或3D打印等先進制造技術，人工構建具有類似功能的多級結構骨架，有望進一步推動高性能、長壽命水系金屬電池的商業(yè)化進程。