武汉理工大学何大平/刘波AEM:受肌肉“滑动丝理论”启发的超薄机械自适应界面,实现高可逆锌金属负极

【研究背景】

在全球“双碳”目标的推动下，开发安全、低成本且可持续的储能技术已成为支撑可再生能源大规模应用的重要基础。在众多储能体系中，可充电水系锌离子电池（AZIBs）因具有安全性高、成本低和环境友好等优势而受到广泛关注。然而，锌金属负极在反复充放电过程中容易产生枝晶。这些枝晶不仅可能刺穿隔膜引发电池短路，还会导致“死锌”积累以及析氢等副反应加剧，从而造成容量衰减、循环寿命缩短和能量效率下降。

为解决这一问题，在锌负极表面构建人工固态电解质界面（SEI）被认为是一种直接且有效的策略。理想的SEI不仅能够调控Zn²⁺均匀沉积，还能作为物理屏障抑制枝晶生长。然而，现有SEI设计普遍面临“强度”与“柔韧性”难以兼顾的挑战：刚性较高的界面层虽然能够有效抵御枝晶穿透，却容易在循环过程中发生开裂；而柔性界面层虽然能够缓冲体积变化带来的应力，却缺乏足够的机械约束能力。此外，多数保护层往往需要较大的厚度才能维持稳定性，从而牺牲电池的能量密度。因此，如何构筑一种兼具超薄、高强度和高柔韧性的人工SEI，实现对枝晶生长和界面应力的协同调控，成为水系锌金属负极领域的重要研究方向。

【研究介绍】

近日，武汉理工大学何大平教授、刘波博士研究团队受人体肌肉“滑动丝理论（Sliding Filament Theory）”启发，提出了一种机械自适应界面设计策略，构筑了超薄机械自适应界面层（Mechanically Adaptive Layer，MAL）。研究团队以氧化石墨烯（GO）纳米片作为刚性骨架，引入Triton X-100构筑动态氢键网络。该结构在保持高机械强度的同时，可通过层间滑移和氢键重构持续释放界面应力，实现机械能的高效耗散和结构自适应调节。团队在锌金属表面构筑出厚度仅约80 nm的仿生界面层，在超薄尺度下实现了SEI高强度与高韧性的兼顾，并显著提升了锌金属负极的循环稳定性和沉积/剥离可逆性（99.93%）。相关内容以“Mechanically Adaptive Ultrathin Interphase Inspired by Sliding Filament for Highly Reversible Zinc Metal Anode”为题发表在Advanced Energy Materials，刘志勇和陈子柏为本文共同第一作者。

图1. MAL的仿生设计。

【内容表述】

研究团队首先通过界面自组装技术在锌负极构建MAL。通过扫描电子显微镜（SEM）精确界定了该自适应层约80 nm的均匀厚度，结合高分辨透射电镜（HRTEM）与原子力显微镜-红外光谱联用技术（AFM-IR）的形貌及表面电势分布扫描，共同证实了其高度连续、无微观孔隙且大面积分布一致的物理特征。在内部氢键网络的验证上，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）中羟基与羧基特征峰的显著红移，以及高分辨X射线光电子能谱（XPS）O 1s精细谱揭示的局部电子转移，证明GO与Triton X-100分子间氢键的形成。此外，MAL中Triton分子的醚键和羟基能够与锌溶剂化鞘层中的水发生相互作用，从而降低Zn²⁺离子穿过MAL的脱溶剂活化能。进一步，线性扫描伏安测试也证明MAL降低了界面水与锌金属接触，有效抑制界面析氢副反应。

图2. Zn@MAL界面的形态演变、结构分析及电化学动力学。

进一步，研究团队对界面层的力学性能和机械适应性机制进行系统研究。机械拉伸测试表明MAL层具有13.8 MPa的抗拉强度以及12%的断裂伸长率。考虑到宏观薄膜和实际界面涂层之间潜在的性能差异，采用原子力显微镜（AFM）直接评估微观机械性能。结果表明，厚度仅80纳米的薄膜不仅具备较高的机械强度（杨氏模量达22.4 GPa）。在模拟电池充放电过程中的界面层受力测试中，Zn@MAL在加载-卸载循环期间表现出拓宽的机械滞回曲线，表明显著增强的能量耗散能力。为进一步理解MAL对机械性能增强机制，研究团队借助原位拉曼光谱和原位红外光谱技术，在真实的沉积与剥离工况下研究氢键演变。研究结果直接捕捉到氢键特征峰在锌沉积与剥离过程中的可逆动态演变，证实MAL通过氢键的断裂与重构，实现了界面在机械应变下的可逆响应，为其机械自适应特性提供了直接实验证据。

图3. 界面层的力学性能表征及氢键诱导的机械自适应机制。

得益于MAL的高强度、高韧性以及机械自适应特性，它能够有效抑制锌枝晶的生长。原位显微镜和三维表面形貌分析直观显示：在普通锌电极上，电沉积容易引发杂乱枝晶；而在超薄MAL界面保护下，锌沉积呈平滑、致密状态，沉积后表面粗糙度仅为0.4 μm，远低于无界面保护的3.4 μm。同时，MAL内部丰富的氢键和极性基团不仅降低了锌离子的脱溶剂化阻力，还有效抑制了易诱发枝晶的二维平面扩散，促使锌离子均匀进行三维形核。此外，原位阻抗测试结合DRT分析进一步表明，MAL能够维持稳定的锌沉积界面微环境，为长寿命、高可逆锌负极提供可靠支撑。

图4. 枝晶抑制及锌沉积动力学研究。

得益于优异的机械自适应特性和稳定的界面调控能力，MAL在提升锌负极沉积/剥离可逆性以及推动电池实用化应用方面均展现出显著优势。半电池测试显示，引入MAL界面的电极能够稳定运行超过10000次，平均库仑效率保持在99.93%。对称电池测试表明，在0.5和5.0 mA cm^-2的电流密度下，该界面均能维持平稳的电压曲线，分别实现了超过4000小时和2000小时的循环，有效缓解了枝晶生长导致的短路问题。全电池性能评估进一步表明，MAL界面不仅显著改善了Zn||MnO₂全电池的倍率性能，还在长期循环以及N/P比为2.5的贫锌条件下，有效抑制副反应消耗，显著延长了电池使用寿命。

图5. Zn@MAL负极的电化学可逆性及实际应用可行性。

【研究结论】

综上所述，本研究受肌肉“滑动丝”机制启发，通过在GO纳米片间引入微量Triton X-100构建动态氢键网络，成功设计出厚度约80 nm的机械自适应界面层（MAL）。在锌沉积/剥离过程中，动态氢键网络与刚性氧化石墨烯骨架协同作用，使界面能够可逆调节应力并耗散能量，从而同时兼顾高强度与高柔韧性。此外，该界面还促进Zn²⁺离子脱溶剂化并稳定界面微环境。结果显示，受MAL保护的锌电极实现了99.93%的高库仑效率和超过10 Ah cm^-2的高累积容量，并在全电池体系中展现出超长循环寿命和优异可用性。这项工作为电池高强度、高韧性人工界面层设计提供研究思路。

【文献详情】

Mechanically Adaptive Ultrathin Interphase Inspired by Sliding Filament for Highly Reversible Zinc Metal Anodes

https://doi.org/10.1002/aenm.71167

【作者简介】

何大平，武汉理工大学教授、博士生导师，物理与力学学院副院长，国家级高层次人才计划入选者，英国皇家学会“牛顿学者”。现任湖北省射频微波应用工程中心主任、湖北省宏观石墨烯专业型研究所所长。主要研究方向为二维纳米材料（石墨烯、MXene等）的宏观可控制备及其在电子器件、新能源等领域的应用。近年来带领团队在Nature Chemical Engineering、Nature Communications、Advanced Materials、PNAS等国际顶尖期刊发表学术论文100余篇，授权发明专利20余项，并实现多项科研成果的产业化转化。

刘波，武汉理工大学物理与力学学院博士后，博士毕业于中国科学技术大学，研究方向为电化学界面物理机制与功能调控，以第一/通讯作者（含共同）身份在Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、eScience等国际知名期刊上发表论文18篇，主持国家自然科学基金青年C类和中国博士后面上资助等项目，获纳米能源学术新星优秀奖和全国博士后创新创业大赛优胜奖。