余桂华领衔!香港理工大学徐宾刚&四川农业大学苏葛鸿&湘潭大学赵景新最新EES丨蜘蛛丝启发3D打印可持续锌离子电池!

水系锌离子电池（AZIBs）因其低成本、本质安全性和环境友好性，被视为下一代大规模储能的理想候选。然而，锌金属负极在循环过程中面临严重的枝晶生长和析氢反应（HER）问题，导致电极结构失效和寿命衰减，严重阻碍了其商业化进程。

传统抑制枝晶的策略如三维骨架设计、人工界面构建和隔膜改性等多为外部物理/化学处理，未能从根本上解决枝晶形成的问题。

自然界中的蜘蛛丝具有优异的综合力学性能，其大壶状拖丝由周期性排列的结晶区和无定形区组成，β-微晶体通过氢键连接形成分子网络，实现了轻质、超高强度、韧性和环境稳定性的统一。

受这种分级网络结构启发，将生物结构原理转化为高性能导电水凝胶层级网络结构的构建方法，有望拓展水系锌基储能系统的应用范围并提高其在复杂环境中的可靠性。

近日，香港理工大学徐宾刚、四川农业大学苏葛鸿、湘潭大学赵景新、德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华在Energy & Environmental Science发表了题为"Spider Dragline Silk-Inspired 3D Printed Sustainable Zinc Ion Battery with Ultrahigh Stability"的研究论文，Hongyu Lu、Jisong Hu、Botao Jiang、Kaiqi Zhang为论文第一作者，徐宾刚、苏葛鸿、赵景新、余桂华为论文通讯作者。

1. 受蜘蛛丝分级网络结构启发，构建离子/电子双网络协同机制，同时实现高离子电导率和电子传导。 2. 开发绿色回收工艺，将废弃海藻转化为高性能海藻酸钠基水凝胶载体，实现生物质废弃物的高值化利用。 3. 采用多波段紫外光3D打印技术快速制备双网络锌负极，MXene纳米片定向排列形成电子导电网络，rSP形成离子导电网络。 4. 对称电池在2 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下循环寿命超过3000小时，即使在88.5%高放电深度下仍可稳定循环180小时。 5. 全电池与有机正极G-PAQS匹配后循环10560次容量保持率达92.4%，且负极可回收利用，循环5220次后容量保持率94.1%，体现循环经济价值。

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水系锌离子电池因其低成本、本质安全性和环境友好性，在大规模储能领域备受关注。然而，锌金属负极在循环过程中遇到的不可控枝晶生长和析氢反应问题会引发电极结构失效和寿命衰减，严重阻碍其商业化进程。

该研究利用绿色工艺从废弃海藻中提取回收海藻酸钠（rSA），并通过一步交联获得具有高离子电导率的水凝胶载体（rSP）。

受蜘蛛丝仿生结构启发，将rSP与MXene导电网络结合，通过多波段紫外光3D打印技术直接制备了双网络锌负极（rSP/MXene/ZP）。

综合实验和理论分析表明，rSP的交联确保了聚氧配位网络的形成以创建快速离子传导路径，同时建立多重氢键构成动态交联网络。因此，对称电池实现了超过3000小时的 exceptional 循环稳定性。

rSP/MXene/ZP负极与有机正极材料（G-PAQS）兼容，组装的锌-有机电池表现出增强的电化学性能和超过10560次的优异稳定性。

📊 图文解读

图1 | 双网络rSP/MXene/ZP负极的设计理念，展示废弃海藻回收流程、蜘蛛丝分级结构启发以及双网络对锌枝晶的抑制机制。

该图展示了从废弃海藻（海带、浒苔、马尾藻）中提取回收海藻酸钠（rSA）的绿色工艺流程，以及受蜘蛛丝双相结构（β-折叠纳米晶体和无定形有机基质）启发设计的rSP/MXene双网络导电载体结构。

图注详细说明了rSP交联形成的聚氧配位网络构建快速离子传导通道，以及多重氢键构成的动态交联网络如何协同抑制锌枝晶生长。

图2 | 双网络锌负极的制备工艺与材料表征，包括3D打印过程、微观形貌、交联机理及离子传输性能。

该图展示了多波段紫外光3D打印制备复合双网络锌负极的过程，以及rSP/MXene/ZP油墨的流变学特性。通过对比rSA、rSP和rSP/MXene/ZP的SEM微观结构，揭示了PAAm和MXene加入后形成的更均匀致密孔结构。

FTIR光谱证实了rSA与PAAm之间氢键的形成以及羧基与Zn²⁺的离子交联，N₂吸附/脱附测试显示rSP/MXene/ZP具有高达363.7 m² g⁻¹的比表面积，离子电导率达到35.9 mS·cm⁻¹。

图3 | 对称电池电化学性能测试，展示双网络负极在不同电流密度下的长循环稳定性和高放电深度性能。

该图系统评估了rSP/MXene/ZP负极在对称电池中的电化学性能。结果显示在2 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下，双网络负极可实现超过3000小时的超长循环寿命；

在10 mA cm⁻²/5 mAh cm⁻²条件下仍可稳定循环750小时。即使在88.5%的超高放电深度（DOD）下，该负极仍能实现180小时的优异循环稳定性，远超纯锌负极和MXene/ZP负极。

图4 | 全电池性能测试，展示rSP/MXene/ZP负极与有机正极G-PAQS匹配的电化学性能及长循环稳定性。

该图展示了rSP/MXene/ZP//G-PAQS全电池的电化学性能。所组装的全电池表现出优异的倍率性能和超长循环寿命，在4 A g⁻¹的高电流密度下循环10560次后，容量保持率仍高达92.4%。

这一性能显著优于使用纯锌负极或MXene/ZP负极的全电池，证明了双网络结构在实际全电池体系中的优越性。

图5 | 锌沉积形貌表征及界面稳定性分析，展示双网络结构对锌枝晶生长和析氢反应的抑制效果。

该图通过SEM形貌对比展示了循环后纯锌、MXene/ZP和rSP/MXene/ZP负极的表面形貌差异，显示双网络负极具有均匀平整的锌沉积层而无明显枝晶。XRD分析证实了锌的hcp晶体结构保持。

原位光学显微镜观察揭示了锌在rSP/MXene/ZP负极表面的均匀成核和生长过程，同时电化学测试表明该负极有效抑制了析氢反应。

图6 | 负极回收再利用性能评估，展示废弃海藻基负极材料的绿色循环经济价值。

该图展示了rSP/MXene/ZP负极在电池运行后的回收再利用流程。通过简单的物理化学处理，废弃负极材料可被有效回收并重新组装成新电池。

回收后的负极在结构与性能上与原始材料相当，组装的对称电池和全电池分别表现出优异的循环稳定性，其中全电池在4 A g⁻¹下循环5220次后容量保持率达94.1%，体现了海藻废弃物的高值化循环利用潜力。

图7 | 柔性软包电池性能及实际应用展示，验证3D打印双网络负极在柔性可穿戴器件中的应用潜力。

该图展示了基于rSP/MXene/ZP负极制备的柔性软包电池的结构设计和性能。该电池在不同弯曲状态下仍能保持稳定的充放电曲线，展现出优异的柔韧性和机械稳定性。

此外，该图还展示了软包电池为可穿戴电子设备供电的实际应用场景，以及通过针刺、切割等安全性测试验证其本质安全特性，证明了该技术在柔性储能领域的实际应用价值。

📝 总结

该研究受蜘蛛丝双相结构启发，开发了一种绿色准固态离子/电子导电交联网络，利用废弃海藻提取的海藻酸钠构建了离子导电网络（rSP），并引入MXene作为电子导电网络，通过多波段紫外光3D打印技术制备了双网络锌负极（rSP/MXene/ZP）。

该双网络结构通过聚氧配位网络实现快速离子传导，并通过多重氢键构成动态交联网络，有效抑制了锌枝晶生长和析氢反应。

所制备的负极在对称电池中实现了3000小时的超长循环寿命，与有机正极G-PAQS组装的全电池循环10560次后容量保持率达92.4%。更重要的是，该负极可在电池运行后回收再利用，体现了海藻废弃物的绿色循环经济价值。

该研究强调了可再生生物聚合物作为锌金属负极载体的可持续利用潜力，为通过可持续工艺从丰富原材料开发环保型锌离子电池提供了可行路径。

Spider Dragline Silk-Inspired 3D Printed Sustainable Zinc Ion Battery with Ultrahigh Stability,Energy & Environmental Science,2026,DOI:10.1039/D6EE02022D