段辉高/张冠华AFM：仿生蜂窝状锌负极提升2000次循环20倍容量保持率

柔性锌离子电池（ZIBs）是后锂时代柔性安全能源系统的一个有前景的方向，而锌负极的不稳定性，包括较差的柔韧性、不可控的沉积和枝晶生长，仍然是一个挑战。

图1. 天然蜂窝结构启发仿生电极的设计

湖南大学段辉高、张冠华等在自然的启发下，通过机械-电化学加工，展示了一种拓扑优化的仿生物蜂窝状锌（BH-Zn）负极。

通过多场数值模拟、密度泛函理论（DFT）计算和原位实验观察发现，具有独特蜂窝状优化结构的BH-Zn表现出平滑过渡的结构应力、电流密度和表面热量分布，以及定向和均匀的锌沉积。因此，由于采用了最佳的仿生物蜂窝设计，多场调节的BH-Zn在10,000次弯曲后呈现出良好的机械和电气稳定性。

此外，原位形成合金界面的BH-Zn实现了41.5 mV的电压极化，而平面Zn（P-Zn）则为88.9 mV，并且内大幅提高了锌沉积/剥离的电化学稳定性（30 mA cm^-2，2000小时）。

图2. BH-Zn电极的制备与表征

此外，BH-Zn负极和改良的聚苯胺-夹层V₂O₅（PVO）正极被组装成柔性全电池，表现出出色的倍率性能（在电流密度增加100倍后，保留率超过42%），并在2000次循环后容量保留率提高了20倍以上。在集成应用方面，柔性ZIBs与心率传感器结合作为一个自供电的可穿戴系统，成功实现了实时健康监测。

总体而言，优化设计和先进的电极加工策略为可定制的金属电极开辟了一条途径，并有望应用于稳定的柔性电池。

图3. ZIBs的电化学性能

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