柔性鋅離子電池（ZIBs）是后鋰時(shí)代柔性安全能源系統(tǒng)的一個(gè)有前景的方向，而鋅負(fù)極的不穩(wěn)定性，包括較差的柔韌性、不可控的沉積和枝晶生長(zhǎng)，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖1. 天然蜂窩結(jié)構(gòu)啟發(fā)仿生電極的設(shè)計(jì)

湖南大學(xué)段輝高、張冠華等在自然的啟發(fā)下，通過(guò)機(jī)械-電化學(xué)加工，展示了一種拓?fù)鋬?yōu)化的仿生物蜂窩狀鋅（BH-Zn）負(fù)極。

通過(guò)多場(chǎng)數(shù)值模擬、密度泛函理論（DFT）計(jì)算和原位實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，具有獨(dú)特蜂窩狀優(yōu)化結(jié)構(gòu)的BH-Zn表現(xiàn)出平滑過(guò)渡的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、電流密度和表面熱量分布，以及定向和均勻的鋅沉積。因此，由于采用了最佳的仿生物蜂窩設(shè)計(jì)，多場(chǎng)調(diào)節(jié)的BH-Zn在10,000次彎曲后呈現(xiàn)出良好的機(jī)械和電氣穩(wěn)定性。

此外，原位形成合金界面的BH-Zn實(shí)現(xiàn)了41.5 mV的電壓極化，而平面Zn（P-Zn）則為88.9 mV，并且內(nèi)大幅提高了鋅沉積/剝離的電化學(xué)穩(wěn)定性（30 mA cm^-2，2000小時(shí)）。

圖2. BH-Zn電極的制備與表征

此外，BH-Zn負(fù)極和改良的聚苯胺-夾層V₂O₅（PVO）正極被組裝成柔性全電池，表現(xiàn)出出色的倍率性能（在電流密度增加100倍后，保留率超過(guò)42%），并在2000次循環(huán)后容量保留率提高了20倍以上。在集成應(yīng)用方面，柔性ZIBs與心率傳感器結(jié)合作為一個(gè)自供電的可穿戴系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)。

總體而言，優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)的電極加工策略為可定制的金屬電極開(kāi)辟了一條途徑，并有望應(yīng)用于穩(wěn)定的柔性電池。

圖3. ZIBs的電化學(xué)性能

Biomimetic Honeycomb Zn Anode Enabled Multi-Field Regulation toward Highly Stable Flexible Zn-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202300419