随着柔性电子和可穿戴储能设备的快速发展，开发兼具高能量密度、长循环寿命和环境适应性的柔性能源器件成为能源领域的重要研究方向。锌空气电池凭借高理论能量密度、安全性以及低成本等优势，被认为是下一代柔性储能体系的重要候选。然而，锌负极在长期运行过程中仍面临枝晶生长和界面钝化的双重挑战：不均匀的锌沉积会诱导枝晶形成，而水诱导副反应产生的钝化产物会阻碍离子传输并降低电池稳定性。由于枝晶生长与钝化过程相互关联、协同演化，传统单一调控策略难以实现锌负极界面的长期稳定。因此，构建兼具离子传输调控和界面保护能力的新型电解质体系，对于提升锌空气电池性能具有重要意义。
针对这一挑战，西安工程大学孙元娜、李青山和陕师大林海平教授从自然界生物结构中获得启发，提出了一种全新的筋膜仿生有机水凝胶电解质设计策略。该策略模拟天然筋膜组织中柔性支撑与界面隔离的功能特征，构建具有功能分区结构的有机水凝胶电解质体系。不同于传统通过添加剂或单一网络结构改善电解质性能的方法，该体系将离子快速传输与界面保护功能集成于同一网络结构中，实现了对锌负极界面的多尺度协同调控，为解决锌空气电池中枝晶生长和钝化失效问题提供了新的材料设计思路。
研究团队构建了具有亲水连续网络和疏水微相结构的筋膜仿生有机水凝胶电解质。其中，亲水网络促进锌离子的快速迁移和均匀沉积，疏水微区有效调节界面水环境，降低副反应发生。同时，通过引入二甲基亚砜进一步调控锌物种溶剂化结构，优化锌沉积行为。该电解质展现出优异的离子传输性能和界面稳定能力，离子电导率达到240.27 mS·cm-1，锌离子迁移数达到0.76。基于该电解质构筑的锌空气电池实现了794.48 mAh·g-1的比容量，在2 mA·cm-2电流密度下稳定循环107 h，并在-40 °C条件下保持超过500 h稳定运行。
进一步地，研究团队结合多尺度实验表征与理论模拟方法，系统揭示了筋膜仿生电解质调控锌负极稳定性的作用机制。研究发现，疏水微相结构能够有效降低界面水活性，抑制水诱导副反应；二甲基亚砜能够优化锌离子溶剂化结构，促进均匀锌沉积；二者协同作用共同实现了枝晶生长与钝化反应的同步抑制。此外，该柔性有机水凝胶电解质具有良好的机械韧性和实际应用潜力，可在不同弯曲状态下稳定驱动多种柔性电子设备。
该研究成果以“Fascia-like Organohydrogel Electrolyte Enabling Coupled Suppression of Dendrites and Passivation in Zinc-Air Batteries”为题发表于国际知名期刊《Matter》（2026，9，102951）。西安工程大学硕士研究生张思瑶、纪增光和田若冰为共同第一作者，西安工程大学孙元娜、李青山以及陕西师范大学林海平教授为共同通讯作者，西安工程大学为第一完成单位。
该工作提出了一种筋膜仿生功能分区电解质设计理念，实现了锌空气电池枝晶与钝化问题的协同解决，为未来高稳定金属空气电池及柔性储能器件中的界面调控提供了新的材料设计方向。
图1. 筋膜仿生有机水凝胶电解质调控锌负极界面的作用机制示意图。
图2 水凝胶及水凝胶电解质的结构与性能表征。(A) 水凝胶二维SAXS散射图谱。(B) 水凝胶二维SAXS图像。(C) 不同水凝胶的FT-IR光谱。(D) 不同水凝胶的UV光谱。(E) 不同水凝胶及水凝胶电解质的接触角。(F) 水凝胶吸液性能。(G) 水凝胶保持性能。(H) 不同水凝胶电解质的热稳定性分析。
图3 水凝胶电解质的机械性能与界面粘附性能。(A) AMDW水凝胶电解质的拉伸和扭曲变形。(B) 不同水凝胶及水凝胶电解质的拉伸应力-应变曲线。(C) 不同体系的断裂应变。(D) AMDW水凝胶电解质的粘附性能展示。(E) 粘附测试示意图。(F) AMDW水凝胶电解质在不同基底上的粘附强度。(G) 锌箔表面循环粘附性能。(H) 碳布表面循环粘附性能。(I) AMDW电解质与锌箔的界面粘附机制。
图4 不同水凝胶电解质的理化性质及抑制副反应能力分析。(A) 聚合水凝胶电解质EIS谱图。(B) 不同水凝胶电解质离子电导率。(C) AAW、AADW和AMDW溶液在锌箔上的接触角。(D) 不同水凝胶电解质离子电导变化。(E) Zn//Zn电池计时电流曲线。(F) 不同水凝胶电解质中锌物种迁移数。
图5 基于不同凝胶电解质的锌空气电池电化学性能。(A) 锌空气电池结构示意图。(B) 开路电压。(C) 充放电极化曲线。(D) 功率密度。(E) 不同电流密度下放电性能。(F) 比容量曲线。(G) 恒流充放电曲线。(H) 不同体系性能参数对比。
图6 循环后锌负极形貌、结构及电化学性能表征。(A) 不同电解质中循环后锌负极SEM形貌。(B) 充放电过程中的原位光学显微观察。(C) 循环后锌负极CLSM图像。(D) 循环后锌负极AFM图像。(E) 循环后锌箔XRD分析。(F) 锌负极Zn 2p XPS谱图。(G) Zn//Zn对称电池Tafel曲线。
图7 多尺度模拟揭示筋膜仿生电解质中的分子作用及界面调控机制。(A) 不同分子的HOMO-LUMO能级。(B) 分子静电势分布。(C) 分子电荷分析。(D-E) 分子间相互作用能。(F) Zn（002）晶面吸附能。
图8 分子动力学模拟揭示电解质自组装及溶剂化结构调控机制。(A) 凝胶电解质微观结构演化。(B) Zn2+-H2O相互作用径向分布函数和配位数。(C) 不同体系中的氢键数量变化。(D) 水分子扩散行为。
图9 筋膜仿生电解质抑制锌枝晶形成的模拟分析。(A) 不同电场强度下凝胶电解质中锌枝晶生长行为。(B) 不同离子浓度下锌枝晶生长行为。
图10 筋膜仿生凝胶电解质实现宽温域稳定运行的锌空气电池。(A) 不同温度循环切换过程中的充放电响应。(B-C) 不同温度下功率密度。(D-E) 不同温度下充放电极化曲线。(F-G) 不同电流密度下放电性能。(H-I) 不同温度下比容量。(J) 不同温度下循环稳定性。
图11 基于筋膜仿生凝胶电解质的柔性锌空气电池及实际应用展示。(A) 不同弯曲角度下循环性能。(B) 柔性锌空气电池结构示意图。(C) 柔性电池驱动手持风扇、耳机、手机、灯板和玩具车等实际应用展示。
文献详情：S. Zhang, Z. Ji, R. Tian, Y. Sun, Z. Liu, J. Hu, X. Wang, Y. Jiang, Q. Li, H. Lin, Fascia-like organohydrogel electrolyte enabling coupled suppression of dendrites and passivation in zinc-air batteries, Matter 9 (2026) 102951.
https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102951
