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武汉大学周金平/张皓东团队《Sci. China Chem.》综述:多糖基材料助力高性能水系锌电池研究进展

2026-09-29 01:41:54

水系锌电池（AZBs）因其高安全性、低成本和较高的理论容量，在大规模储能领域展现出巨大潜力。然而，锌负极在循环过程中面临的枝晶生长、析氢反应、表面钝化及腐蚀等问题，严重制约了其实际应用。近年来，多糖基材料凭借丰富的官能团、独特的链构象、优异的多级孔结构以及生物可降解性，成为提升锌负极稳定性的重要策略。武汉大学周金平与张皓东团队基于前期在纤维素、甲壳素、壳聚糖及其衍生物方面的研究工作，系统总结了多糖基材料在AZBs中用于稳定锌负极的最新研究进展。该文章从多糖的分子结构出发，深入探讨了纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、淀粉、透明质酸、卡拉胶等代表性多糖在人工界面层、隔膜、水凝胶电解质以及电解液添加剂四个方面的应用机制与性能优势，为高性能AZBs的理性设计提供了系统指导。

2026年6月9日，相关综述以“Recent progress in polysaccharide-based materials design toward stable Zn anodes”为题发表于《Science China Chemistry》。

图1. 多糖分子结构、锌负极的保护策略及相关作用机制

多糖基材料之所以能有效稳定锌负极，主要得益于三大特性。其一，极性官能团调控。多糖链上丰富的–OH、–COOH、–NH₂、–OSO₃H等基团可与Zn²⁺形成强配位作用，优化Zn²⁺的溶剂化结构，降低自由水活性，从而抑制析氢反应并引导均匀沉积。其二，链构象选择性吸附。螺旋、卷曲等链构象可选择性吸附于锌表面的缺陷或突起处，调节局部电场分布，促进离子通量均匀化。其三，多级结构物理屏蔽。多糖形成的三维多孔网络具有高机械强度，不仅能物理阻挡枝晶穿透，还能构建连续的离子传输通道，缓解浓度极化。

作者分别从多糖基人工界面层、功能性隔膜、水凝胶电解质和电解液添加剂四个维度，系统总结了多糖材料在稳定AZBs锌负极方面的最新进展。作为人工界面层，多糖可直接涂覆于锌负极表面形成固体电解质界面；作为功能性隔膜，多糖基隔膜具有均匀的纳米孔道和优异的力学性能；作为水凝胶电解质，多糖基水凝胶兼具离子导电性和柔性；作为电解液添加剂，多糖可以直接调控电极/电解液界面。基于对多糖化学结构与功能基团的深刻理解，作者指出，这些天然高分子不仅来源丰富、可生物降解，还能通过极性基团络合Zn²⁺、重构溶剂化结构，并借助多级孔道结构和机械强度物理抑制枝晶，从而协同解决锌负极的枝晶生长与副反应问题。

最后，作者对多糖基材料在AZBs中的未来发展方向提出了系统展望。包括建立标准化的电池评估体系统一电流密度、面容量、N/P比、E/C比等参数）；拓展自然界中更多未开发的多糖种类；系统研究多糖分子量、单糖组成、序列结构与电化学性能之间的构效关系；借助机器学习和高通量筛选加速新型多糖材料的理性设计；评估多糖基水系器件在可穿戴与植入式电子领域的生物安全性等。这些挑战与机遇将推动多糖基材料在高性能AZBs中的进一步发展。

武汉大学硕士研究生朱彦博和严雨洋本文共同第一作者，张皓东博士后和周金平教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金（22375154）等项目的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s11426-025-3350-7

作者简介：

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张皓东：武汉大学化学与分子科学学院博士后，主要从事生物质（纤维素/甲壳素/壳聚糖）资源利用与储能应用研究，以第一作者（或共一作）在Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文14篇，其中3篇入选ESI高被引论文，论文总引1000余次，H因子10。

周金平；2001年6月于武汉大学化学学院获理学博士学位并留校任教，2003年11月晋升为副教授，2006年4月遴选为博士生导师，2007年11月晋升为教授，2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2012年获日本学术振兴会（JSPS）奖学金资助赴九州大学作访问研究，2013年受聘为武汉大学“珞珈特聘”教授，2014年入选武汉市“黄鹤英才”计划。主要从事天然高分子功能材料的研究。在SCI源刊发表论文170多篇，SCI他引近13000次，参编专著8部。曾获国家自然科学二等奖（排名第5）、湖北省技术发明二等奖（第2）、教育部自然科学二等奖（第2）。