在可充电锌离子电池（AZIBs）领域，锌金属负极的表面形貌问题成为制约其发展的关键瓶颈。尽管AZIBs凭借高安全性、低成本和理论容量（820 mAh g^-1）等优势受到广泛关注，但其锌负极在循环过程中会出现三大核心问题：一是不均匀的电场分布导致锌枝晶生长，可能穿透隔膜引发短路；二是不溶性副产物积累造成界面阻抗增加，降低电荷传输效率；三是析氢反应（HER）与锌沉积竞争活性位点，导致库仑效率下降和电解液持续损耗。这些因素协同作用导致电池容量快速衰减，循环寿命低，极大限制了AZIBs的商业化进程。

  针对上述问题，本研究提出了一种创新策略：开发强韧纤维素纳米纤丝（CNF）/MXene离子-电子双导水凝胶膜，并将其作为锌离子电池负极界面层以抑制枝晶生长。该薄膜展现出卓越的力学特性：面内韧性高达18.39 MJ m^-3，面内和面外杨氏模量分别达到0.85 GPa和3.65 GPa，从而为锌阳极界面提供了有效的力学限域约束，显著抑制枝晶的生长。同时，该薄膜对Zn²⁺表现出高结合能（1.33 eV）和低迁移能垒（0.24 eV），有效促进了Zn²⁺的均匀沉积，从而显著提升了电池的库仑效率。电化学测试进一步表明，MXene-CNF|Zn电极的HER起始电位为-0.21 V（相对于Zn2?/Zn），较裸锌电极的-0.11 V显著负移，表明该界面层能有效抑制析氢反应，大幅提升电池的循环稳定性。基于MXene-CNF|Zn阳极的Zn||MnO?全电池在0.2 A g?1电流密度下展现出323 mAh g?1的高比容量，即使在3 A g?1的高倍率条件下循环2000次后，仍能保持92.8%的容量保持率，表现出良好的循环稳定性。研究结果表明，该强韧CNF/MXene离子-电子双导水凝胶膜界面层有效调控锌负极表面“应力/应变场-离子场-电子场”的多场分布，有效抑制了锌枝晶的无序生长，显著提升电池循环稳定性；该多场耦合策略为解决锌金属电池枝晶难题提供了新思路和新方法，对其它金属负极体系的界面设计具有借鉴意义。

图1 Zn²⁺在裸锌和MXene-CNF|Zn负极上的沉积行为示意图

图2 MXene-CNF水凝胶膜本征性能表征

图3 MXene-CNF|Zn负极电化学性能

图4 MXene-CNF|Zn对称电池和半电池电化学性能

图5 Zn²⁺在MXene-CNF|Zn负极的沉积行为研究

图6 Zn||MnO?和Zn||V₂O₅全电池性能

  相关研究成果以“Tough MXene-Cellulose Nanofibril Ionotronic Dual-Network Hydrogel Films for Stable Zinc Anodes”为题发表在ACS Nano。中国海洋大学田维乾/王焕磊、北京林业大学许凤、青岛大学张利鸣以及瑞典皇家理工学院Mahiar Max Hamedi为该论文的共同通讯作者，中国海洋大学硕士研究生刘孟宇为该论文的第一作者。2024年安塞姆佩恩奖获得者Lars W?gberg和MXene的发明者Yury Gogotsi深度参与该工作并提供指导。

  论文信息：

  Mengyu Liu, Liming Zhang*, Jowan Rostami, Teng Zhang, Kyle Matthews, Sheng Chen, Wenjie Fan, Yue Zhu, Jingwei Chen, Minghua Huang, Jingyi Wu, Huanlei Wang*, Mahiar Max Hamedi*, Feng Xu*, Weiqian Tian*, Lars W?gberg, Yury Gogotsi. Tough MXene-Cellulose Nanofibril lonotronic Dual-Network Hydrogel Films for Stable Zinc Anodes. ACS Nano, 2025.

  https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01497