论文题目：Biomimetic electrochemistry: A systematic framework for advancing aqueous Zn-ion batteries

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100430

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01 文章摘要

水系锌离子电池（AZIBs）因其固有安全性、经济可行性和生态友好性，被认为是大规模储能系统中极具前景的候选体系。仿生设计通过借鉴自然界的启发性策略，在推动可规模化、耐久且高性能的AZIBs发展方面发挥着关键作用，可有效应对该领域面临的核心挑战。然而，目前尚缺乏针对AZIBs仿生设计策略的系统性综述。本文首先简要概述了仿生设计的概念与基本原则。随后，重点阐述了仿生策略应用于水系电池中的内在优势。接着，系统介绍了AZIBs仿生设计领域最新的跨学科研究进展。最后，本文对该领域进行了全面总结并提出前瞻性观点，强调了未来可能的发展方向与面临的挑战。总体而言，本综述有助于深入探索并推动AZIBs领域的跨学科发展。

02 研究背景

随着化石能源的持续消耗，环境污染、气候变化和生态破坏等问题日益突出。发展高安全、低成本、环境友好的储能技术，已成为推动可再生能源利用和实现低碳社会的重要基础。在众多储能体系中，水系锌离子电池凭借锌金属资源丰富、可回收性好、水系电解液不易燃以及Zn/Zn²⁺双电子转移反应等优势，受到了广泛关注。AZIBs通常由锌负极、水系电解液、隔膜和正极材料组成，其理论容量高、安全性强，适合面向电网储能等大规模应用场景。然而，AZIBs的发展仍受到多重问题限制。首先，锌负极在反复沉积/剥离过程中容易发生不均匀沉积，进而诱发枝晶生长，导致短路和寿命衰减。其次，水系电解液在锌负极界面容易发生析氢反应，引起气体生成、容量损失和电池膨胀。与此同时，锰基正极容易发生溶解，钒基正极虽然容量和倍率性能较好，但也存在Zn²⁺扩散动力学缓慢等问题。此外，副产物在正极表面的沉积会阻碍电子传输和Zn²⁺嵌入/脱出，进一步加速容量衰减。

图1. 电池仿生设计的发展时间轴

在这一背景下，仿生策略为AZIBs提供了跨学科的解决路径。自然界中的叶脉网络能够高效分配营养物质，蜂窝结构兼具轻质和高强度，贝壳珍珠层具有优异的抗裂韧性，皮肤和生物组织则具有自修复和动态调节能力。这些自然结构和功能为电极设计、电解液调控和界面保护提供了重要启发。例如，仿叶脉结构有助于均匀Zn²⁺传输，仿贝壳结构可以增强界面机械稳定性，仿细胞膜离子通道可以实现选择性离子传输。由此，仿生设计不仅是一种材料修饰策略，更是一种将自然进化规律转化为电化学设计语言的系统框架。

图2. 仿生策略通过稳定Zn/电解液界面促进均匀Zn沉积

03 创新点

(1) 建立了仿生设计与AZIBs之间的关联分析框架，为理解仿生策略在AZIBs中的应用提供了系统思路。

(2) 系统梳理了结构仿生、材料仿生和功能仿生等策略在AZIBs优化中的应用与作用机制。

(3) 从多维角度评估了仿生AZIBs面临的关键挑战与未来发展前景。

04 文章概述

本文以“仿生电化学”为核心主线，系统讨论了仿生设计在水系锌离子电池中的应用逻辑。文章首先介绍了AZIBs的研究背景和关键瓶颈，指出锌枝晶、析氢反应、腐蚀、副产物积累、正极结构衰退和离子传输缓慢是限制其实际应用的重要因素。随后，文章从自然界的结构优化、材料适应性和功能调控机制出发，阐述仿生设计为何能够为AZIBs提供新的解决方案。在正文部分，文章先介绍仿生设计的概念、原则和优势，并将仿生策略分为三类：结构仿生、材料仿生和功能仿生。随后，文章进一步结合近年来的代表性研究，分别总结了仿生策略在锌负极、电解液、正极和界面工程中的应用。最后，文章从规模化集成、经济性、环境可持续性和未来发展方向等方面提出展望，为仿生AZIBs从基础研究走向实际应用提供了较为完整的路线图。

图3. 仿生设计概念与原则示意图

4.1 仿生设计的概念、原则与优势

仿生设计的核心并不是简单复制自然形貌，而是提取自然系统中经过长期进化形成的结构、材料和功能规律，并将其转化为可用于电化学储能的设计策略。对于AZIBs而言，这一思路具有突出的针对性。锌负极的不均匀沉积可以借助仿叶脉网络实现离子通量均匀化；界面力学不稳定可以通过仿贝壳“砖泥结构”增强；电解液中自由水诱导的副反应可以通过仿生分子调节氢键网络和Zn²⁺溶剂化结构来缓解；电极裂纹和结构破坏则可以通过自修复生物材料进行动态修复。

具体而言，结构仿生侧重于“学自然的形态”。蜂窝结构具有优异的强度-重量比和空间利用率，可用于构建机械稳定、离子通道连续的电极结构。叶脉网络具有高效的物质传输能力，可启发多尺度导电和离子传输网络的构筑。骨骼和贝壳结构则通过有机-无机复合和层级结构实现强度、韧性和轻量化的平衡，对解决电极体积变化和结构粉化具有重要启示。

材料仿生侧重于“用自然的材料”。天然水凝胶、纤维素、海藻酸盐、壳聚糖、丝素蛋白和多糖等材料具有可再生、可降解、可修复和环境友好等特点，可用于构建电解液添加剂、人工界面层、粘结剂或凝胶电解质。相比传统合成材料，这类天然或仿天然材料更容易兼顾电化学性能和可持续性。

功能仿生则侧重于“学自然的机制”。细胞膜的选择性离子传输、离子泵的主动调控、蛋白质中的金属离子识别、荷叶表面的超疏水性以及生物体的稳态调节能力，都可以转化为AZIBs中的功能设计策略。通过这些机制，电池可以实现更稳定的离子传输、更低的界面副反应和更强的环境适应性。

图4. 仿生策略提升AZIBs综合性能示意图

4.2 结构仿生：从自然结构到稳定电极

结构仿生通过借鉴蜂窝、叶脉、骨骼和贝壳等天然结构，改善AZIBs中枝晶生长、结构退化和反应动力学缓慢等问题。这类结构通常具有高强度、轻量化、多尺度传输和应力分散等优势，可为电极设计提供启发。例如，贝壳珍珠层的“砖泥结构”由硬质无机层和软质有机层交替组成，可兼顾强度与韧性。将其引入锌负极界面后，可增强人工保护层的机械稳定性，抑制枝晶穿透，并均匀Zn²⁺通量。仿蜂窝锌负极则通过规则孔道结构降低局部电流密度和离子浓度梯度，从而提升高电流条件下的沉积稳定性。此外，仿菌丝核壳结构、仿毛细管空心碳纳米纤维等设计，也可优化离子传输路径，缩短扩散距离，并提高电极结构稳定性。总体而言，结构仿生体现了“以结构促稳定”的设计思路。它不仅有助于调控锌负极沉积行为，也为正极结构稳定和高负载电极构筑提供了新路径。

4.3 材料仿生：从天然材料到界面与电解液调控

材料仿生侧重利用天然材料的化学组成、动态相互作用和环境适应性，以调控AZIBs的电极、电解液和界面行为。在电解液中，氨基酸、多糖、赤藓糖醇和海藻酸盐等仿生分子可通过配位作用和氢键调节重构Zn²⁺溶剂化结构，降低水活性，并抑制析氢和腐蚀。例如，甘氨酸、谷氨酸和天冬氨酸等氨基酸可优先与Zn²⁺配位，减少水分子参与界面副反应，从而促进均匀沉积并延长循环寿命。受耐寒生物启发的抗冻电解液则可通过羟基重构水分子氢键网络，降低冰晶形成倾向，同时维持Zn²⁺迁移能力。在人造界面方面，天然多糖和生物质聚合物具有良好的亲锌性、成膜性和机械稳定性。海藻酸盐涂层可利用羧基调控Zn²⁺通量并降低成核能垒。再生纤维素界面则可通过羟基和无定形结构均一化离子通量，同时隔绝水分子和阴离子。在正极中，瓜尔胶粘结剂和聚多巴胺涂层可增强高负载电极的结构完整性，稳定活性材料界面，并抑制水诱导副反应。总体来看，材料仿生能够提升AZIBs的界面稳定性、循环寿命和环境适应性，也为低成本、可持续电池体系构建提供了重要基础。

4.4 功能仿生：从生物功能到智能界面

功能仿生重点模拟自然系统中的选择性传输、动态润湿、自组装、抗腐蚀和能量转化等功能。与结构仿生和材料仿生相比，功能仿生更强调界面的主动调控能力。

在锌负极保护中，仿细胞膜双亲性界面可同时实现疏水保护和亲锌离子传输。疏水区域减少水分子接触锌负极，亲水通道促进Zn²⁺迁移和均匀沉积。仿荷叶超疏水界面也可降低界面水吸附，并通过亲锌位点维持Zn²⁺传输。仿贻贝聚多巴胺界面则依靠强粘附性和丰富官能团，提高界面亲锌性，促进Zn²⁺脱溶剂化，并抑制枝晶和析氢反应。此外，仿细胞膜离子通道的MOF/COF材料可提供规则纳米孔道，实现Zn²⁺选择性传输和阴离子排斥，从而提升Zn²⁺迁移数并诱导取向沉积。在正极方面，仿细胞膜疏水导电膜可缓解MnO₂等材料的水诱导结构畸变和溶解问题。仿蛋白质氢键网络的有机正极则可通过动态氢键稳定放电结构，改善质子传输和循环稳定性。仿生电解液同样可实现功能调控。具有特定官能团或动态键合能力的分子可重构Zn²⁺溶剂化鞘层，降低自由水活性，并阻断水分子与活性位点的直接接触。受细胞膜磷脂双亲结构启发的水合纳米域电解液，还可兼顾副反应抑制、电极润湿和高负载正极动力学提升。因此，功能仿生为AZIBs提供了从“被动保护”到“主动调控”的新思路。通过引入选择性、适应性和动态调节能力，AZIBs有望实现更长循环寿命、更高能量密度和更强环境适应性。

4.5 仿生AZIBs的未来发展方向

尽管仿生策略在AZIBs中展现出巨大潜力，但其进一步发展仍需解决规模化、经济性和环境可持续性等问题。文章指出，仿生AZIBs的实际应用需要材料科学、电化学、结构生物学、系统工程和先进制造等多学科协同。仅依靠单一材料改性难以支撑产业化发展，未来需要建立从结构设计、材料选择、功能构筑到器件制造的整体化路线。

在规模化方面，3D打印、可控制备和柔性制造技术可用于构建复杂仿生结构，为仿蜂窝、仿叶脉和仿细胞通道等结构的大面积制备提供可能。同时，机器学习和人工智能可用于解析复杂的结构-性能关系，加速仿生材料筛选和电池性能预测，从而提高研发效率。

在经济性方面，虽然部分仿生策略可能涉及复杂合成和先进加工过程，导致初始成本增加，但天然生物质材料如纤维素、壳聚糖、海藻酸盐和多糖等具有来源广泛、价格低廉和可再生等优势。若能进一步优化制备工艺、提升产率并适配现有生产线，仿生AZIBs有望在性能提升和成本控制之间实现平衡。

在可持续性方面，仿生设计与循环经济具有天然契合性。通过借鉴自然界物质循环规律，可以构建闭环回收体系，对废旧电池中的锌负极、电解液和隔膜等关键组分进行回收再利用，从而减少资源消耗和环境污染。同时，利用太阳能、风能等可再生能源驱动生产过程，也有助于降低电池制造的碳足迹。

图5. 仿生AZIBs未来发展方向示意图

05 结论

总体来看，本文围绕“仿生电化学”这一核心概念，系统总结了仿生设计在水系锌离子电池中的应用基础、研究进展和未来方向。与传统综述相比，本文并未仅停留在某类材料或某个电极界面的性能归纳，而是从自然启发的结构、材料和功能三个层面出发，构建了较为完整的AZIBs仿生设计框架。通过结构仿生，AZIBs可以借鉴蜂窝、叶脉、骨骼和贝壳等天然结构，优化离子传输路径，增强电极机械稳定性，并缓解枝晶和结构衰退问题。通过材料仿生，天然生物质、自修复材料、抗冻材料和可降解材料可用于调控电解液、界面层和电极粘结网络，从而提升循环寿命和环境适应性。通过功能仿生，细胞膜、离子泵、荷叶效应、贻贝粘附和生物氢键网络等机制可以转化为智能界面设计策略，实现选择性离子传输、副反应抑制和动态稳定化。更重要的是，本文指出仿生设计不应被理解为简单的形貌模仿，而应被视为一种面向复杂电化学问题的系统性设计方法。未来，仿生AZIBs的发展需要进一步融合AI辅助筛选、先进制造、低成本天然材料和闭环回收体系，建立“结构-材料-功能”协同的多维设计框架。通过持续推动材料科学、生物学、电化学和工程制造的交叉融合，仿生AZIBs有望在高安全、长寿命、低成本和可持续储能领域发挥更重要作用，并为下一代绿色能源技术提供新的发展路径。

引用信息：Wei Lv, Junlin Liu, Zilei Shen, Xudong Li, Yuchao Wang, Peiyao Yang, Haitao Zheng, Guozhao Fang, Chao Xu, Yongpeng Lei. Biomimetic electrochemistry: A systematic framework for advancing aqueous Zn-ion batteries, Adv. Powder Mater. 5(2026)100430. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100430

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X26000382