随着可穿戴电子设备的快速发展，柔性、安全且高性能的储能系统已成为迫切需求。纤维锌离子电池因其高安全性、优异柔性及易于集成到纺织品中的特性，展现出广阔的应用潜力。然而，传统锌金属丝制备的纤维锌离子电池在循环过程中易引发枝晶生长与接触失效，导致循环寿命显著衰减。如何协同兼顾电极材料的力学适应性及界面电化学稳定性，是纤维锌离子电池面临的关键挑战。为此，本研究提出一种同轴湿法纺丝的界面设计策略，通过协同调控凝胶电解质与锌粉纤维负极界面，构建出兼具优异力学强度、高离子电导率和良好界面稳定性的柔性纤维锌离子电池。

近日，上海工程技术大学芮一川团队在《Journal of Materials Chemistry A》发表了最新研究成果：“Coaxial wet-spinning fiber-shaped Zn-ion batteries enabled by Zn powder and cellulose nanofiber reinforced gel electrolyte”。研究人员通过同轴湿法纺丝技术，将高强度的聚乙烯醇/羧基化纤维素纳米纤维（PVA/CNFs）凝胶电解质与锌粉/聚环氧乙烷-聚乙二醇/碳纳米管（Zn/PEO-PEG/CNT）复合阳极集成于单根纤维结构中，成功制备出兼具优异力学性能与电化学稳定性的纤维状锌离子电池。该凝胶电解质表现出高达800%的应变率与11 MPa的拉伸强度，离子电导率达33.1 mS cm-1，有效抑制了锌枝晶生长与界面副反应。同轴结构确保电极与电解质紧密接触，提升了界面稳定性。基于该设计的对称电池在1 mA cm-2下循环寿命超过1600小时，为解决电极/电解质界面问题提供了新思路。

图1. 凝胶电解质和同轴湿法纺丝制备工艺

图1展示了PVA/CNFs凝胶电解质的制备过程及其与Zn/PEO-PEG/CNT复合阳极的一体化纺丝成型示意图。该凝胶电解质基于动态氢键网络与优化孔结构，兼具高离子电导率与优异力学性能；同轴纤维电极呈现均匀核壳结构，具有良好的拉伸性与界面接触，为穿戴式能源器件提供了可靠的柔性集成方案。

图2. 凝胶电解质和锌负极的物理化学性质表征

图2系统表征了凝胶电解质与锌阳极的物理化学特性。红外光谱证实PVA与CNFs间形成动态氢键网络，有效增强凝胶机械强度并优化离子传输路径。该电解质展现高拉伸性（800%）与强度（11 MPa），其多孔结构有利于Zn2+快速迁移。锌粉复合阳极经PEO/PEG修饰后亲水性显著提升，接触角降至26.2°，极大改善了电极电解质界面接触，为均匀锌沉积与枝晶抑制奠定了结构基础。

图3. 凝胶电解质与锌阳极界面处的锌沉积与剥离过程 

图4. 对称电池的电化学性能。

图4系统评估了对称电池的电化学性能。相较于液态ZnSO4体系，基于PVA/CNFs凝胶电解质与锌粉复合阳极的电池在锌沉积/剥离过程中表现出更快的电流稳定与更低的成核过电位。该体系具有更高的锌离子迁移数（0.68）与更优的耐腐蚀性，并在0.5–10 mA cm-2宽电流密度范围内保持稳定循环。在1 mA cm-2/1 mAh cm-2条件下，对称电池实现超过1600小时的长循环寿命，显著优于传统液态电解质体系，体现了凝胶电极协同设计在提升锌沉积均匀性与界面稳定性方面的关键作用。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D5TA08185H

人物简介：

陆国庆，上海工程技术大学化学工程与技术专业2022级硕士研究生，主要研究方向为纤维锌离子电池，以第一作者在J. Mater. Chem. A, Nanoscale Adv.发表SCI论文2篇。

芮一川，上海工程技术大学化学化工学院副教授，能源转换与存储科研团队负责人，入选上海市扬帆人才计划。主要研究方向为钙钛矿太阳能电池、锂/锌离子电池等，在Nature, Adv. Funct. Mater, J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J, Small等期刊发表SCI论文110余篇，其中一作和通讯作者论文70篇，ESI高被引2篇，H-index为32，获授权发明专利14项（转化2项），参编Springer英文专著一章。主持国家自然科学基金、上海市自然科学基金和上海市高校优秀青年教师培养资助计划等科研项目。