北理工課題組在二次電池仿生研究方面取得系列進展
發(fā)布日期：2025-03-18 供稿：材料學(xué)院 陳人杰 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近年來，“碳中和”和“綠色發(fā)展”的理念使人們更加關(guān)注師法自然。仿生技術(shù)是工程技術(shù)與生物科學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科,，通過對各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究,，最后實現(xiàn)新的技術(shù)設(shè)計并制造出更好的新型器件,、裝備,、機械等。北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳人杰教授,、吳鋒院士課題組聚焦可用于二次電池中的仿生材料,、仿生技術(shù)和仿生理念開展了系列探索研究工作，近日,，以“Learning from nature: Biomimicry in secondary batteries”為題在國際頂級期刊《Materials Today》（影響因子：21.1）上受邀發(fā)表綜述文章,。北京理工大學(xué)陳人杰教授、黃永鑫副教授為論文的共同通訊作者,，博士生張寧為論文的第一作者,。
電化學(xué)儲能與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以其可再生,、壽命長、成本低,、易存儲等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注,。特別是近年來，其與環(huán)境的可持續(xù)性以及結(jié)構(gòu)和功能的智能集成的相關(guān)性越發(fā)緊密,。仿生技術(shù)的多樣性,、創(chuàng)新性和可操作性不僅使材料提取、器件裝配和運輸過程綠色化,，而且賦予電池系統(tǒng)更為優(yōu)越的電化學(xué)性能,、安全性、適應(yīng)性和多功能性,。鑒于此，課題組以仿生學(xué)在二次電池中的應(yīng)用為主題,，全面介紹了相關(guān)概念,、核心技術(shù)和研究現(xiàn)狀，并通過類比二次電池系統(tǒng)和生物元素,，系統(tǒng)闡述了仿生學(xué)在二次電池中的應(yīng)用價值和運行機制,。
圖1：(a) 不同尺度的生物元素應(yīng)用于二次電池材料研究；(b)生物材料在二次電池中的作用機制
圖2：電池器件和管理系統(tǒng)的仿生設(shè)計研究
課題組從生物學(xué)的角度出發(fā),，通過將二次電池系統(tǒng)中存在的問題與生物系統(tǒng)解決類似問題的措施進行分析,，提出了電池理化性能和安全性的優(yōu)化機制。包括優(yōu)化電池材料的組成和控制微觀結(jié)構(gòu),、集成和開發(fā)功能化電池器件及優(yōu)化電池管理輔助系統(tǒng)的設(shè)計,。同時，課題組還基于準(zhǔn)二維模型（Pseudo Two-Dimensional Model,，P2D模型）,，闡明了仿生材料影響電池性能的內(nèi)在機理，并系統(tǒng)總結(jié)了仿生材料和仿生概念在二次電池中的應(yīng)用方法,，提出了仿生技術(shù)在電池全生命周期中的應(yīng)用挑戰(zhàn),。結(jié)合到清潔能源裝備的發(fā)展需求和電池研究學(xué)科的綜合發(fā)展，課題組提出了二次電池智能化,、輕量化,、低成本、綠色化的未來技術(shù)發(fā)展方向,。
圖3：二次電池仿生技術(shù)的未來發(fā)展方向
生物多樣性帶來的材料-結(jié)構(gòu)-功能多樣性可以為二次電池的發(fā)展提供新的啟發(fā),。與傳統(tǒng)材料相比，生物元素具有環(huán)境友好性,、可再生性,、可設(shè)計性,、適應(yīng)性和兼容性等獨特優(yōu)勢，對推進電池領(lǐng)域的變革發(fā)展具有重要科學(xué)意義,。以化學(xué)工程,、材料學(xué)、仿生學(xué),、環(huán)境科學(xué),、能源工程、計算機科學(xué)等學(xué)科融合為基礎(chǔ),，可以構(gòu)建綠色電池,，實現(xiàn)電池材料包括開采生產(chǎn)、組裝運輸,、回收處置在內(nèi)的全生命周期安全,、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展,；實現(xiàn)電池智能化（機器學(xué)習(xí)和智能電池管理系統(tǒng)）,、結(jié)構(gòu)化（高能量密度材料、輕質(zhì)和堅固的外部支撐材料）和低成本化（可再生資源,、集成設(shè)計）發(fā)展,。
課題組近期在二次電池仿生研究方面的部分代表性工作如下：
1. Smart batteries for powering the future[J]. Joule, 2024, 8(2): 344-373. DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.011. （IF="""38.6，第一作者：孟倩倩博士生）（借鑒生物系統(tǒng)的感知,、響應(yīng)與決策一體化機制,，實現(xiàn)具備感傳控決功能的智能電池的構(gòu)建、集成和應(yīng)用）
2. Advanced High Energy Density Secondary Batteries with Multi‐Electron Reaction Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2024, 34(52): 2410948. DOI: 10.1002/adfm.202410948. （IF="""18.5,，第一作者：張伯燾碩士生/高圣鈺碩士生）（借鑒生物系統(tǒng)的高效能量轉(zhuǎn)換和存儲的原理,，突破二次電池高比能策略中的多電子儲能機制，實現(xiàn)更高效的電子傳輸和能量存儲）
3. Super‐Ionic Conductor Soft Filler Promotes Li+ Transport in Integrated Cathode–Electrolyte for Solid‐State Battery at Room Temperature[J]. Advanced Materials, 2024, 36(27): 2403078. DOI: 10.1002/adma.202403078. （IF="""27.4,，第一作者：楊斌斌博士生）（借鑒生物系統(tǒng)的高效傳質(zhì)通道和協(xié)同作用機制,，實現(xiàn)聚合物電解質(zhì)離子電導(dǎo)性和高機械性能的良好兼容）
4. Li2MoO4 Tailored Anion‐enhanced Solvation Sheath Layer Promotes Solution‐phase Mediated Li‐O2 Batteries[J]. Angewandte Chemie, 2024, 136(52): e202412035. DOI: 10.1002/ange.202412035. （IF="""16.6，第一作者：張鳳玲博士生）（借鑒生物體通過構(gòu)建保護性屏障抵御外界侵蝕的策略,，實現(xiàn)構(gòu)筑保護殼層的方案改善鋰金屬體系電池中的侵蝕和腐蝕問題）
5. Amphipathic Phenylalanine-Induced Nucleophilic–Hydrophobic Interface Toward Highly Reversible Zn Anode[J]. Nano-Micro Letters, 2024, 16(1): 164. DOI: 10.1007/s40820-024-01380-x. （IF="""31.6,，第一作者：周安彬博士生）（借鑒生物分子苯丙氨酸的反應(yīng)特性，通過引入鋅離子電池電解質(zhì)中作為功能添加劑,，實現(xiàn)鋅陽極可逆性的提高,，緩解枝晶生長和界面副反應(yīng)）
6. Dual mechanism with graded energy storage in long-term aqueous zinc-ion batteries achieved using a polymer/vanadium dioxide cathode[J]. Energy & Environmental Science, 2024, 17(18): 6666-6675. DOI: 10.1039/D4EE02557A. （IF="""32.4，第一作者：宋志航碩士生）（借鑒生物體分系統(tǒng)多功能協(xié)同機制,，實現(xiàn)二次電池分級儲能的雙重機制）
7. Dynamic Covalent Bonds Regulate Zinc Plating/Stripping Behaviors for High‐Performance Zinc Ion Batteries[J]. Angewandte Chemie, 2024, 136(31): e202406597. DOI: 10.1002/ange.202406597. （IF="""16.6,，第一作者：郭亞飛碩士生）（借鑒生物組織動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)和結(jié)構(gòu)重組特性，研制具有自我增韌并修復(fù)損傷功能的新材料,，實現(xiàn)離子穩(wěn)定的沉積/剝離和電池循環(huán)性的提升）
8. Facilitating oriented dense deposition: utilizing crystal plane end‐capping reagent to construct dendrite‐free and highly corrosion‐resistant (100) crystal plane zinc anode[J]. Advanced Materials, 2024, 36(41): 2407145. DOI: 10.1002/adma.202407145. （IF="""27.4,，第一作者：王輝榮博士生）（借鑒生物體界面自適應(yīng)保護機制,，構(gòu)建電極界面疏水外殼或定向結(jié)構(gòu)來抵御外界侵蝕，實現(xiàn)鋅離子電池中離子沉積和成核生長過程的穩(wěn)定調(diào)控）
9. Bipolar Polymeric Protective Layer for Dendrite‐Free and Corrosion‐Resistant Lithium Metal Anode in Ethylene Carbonate Electrolyte[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2024, 63(17): e202400619. DOI: 10.1002/anie.202400619. （(IF="""16.6,，第一作者：鄧成龍博士后）（借鑒生物細(xì)胞膜通過特異性分子識別和界面相互作用來控制離子傳輸并防止外界侵蝕的原理,，實現(xiàn)鋰金屬二次電池中陰離子的選擇捕獲和陽離子的快速遷移）
10. Self‐Induced Dual‐Layered Solid Electrolyte Interphase with High Toughness and High Ionic Conductivity for Ultra‐Stable Lithium Metal Batteries[J]. Advanced Materials, 2024, 36(4): 2303710. DOI: 10.1002/adma.202303710. （IF="""27.4，第一作者：胡昕博士生）（借鑒生物屏障結(jié)構(gòu)的分層防護機制,，通過構(gòu)筑內(nèi)層機械強度優(yōu),、外層相容穩(wěn)定強的電極電解液界面層，實現(xiàn)鋰金屬二次電池循環(huán)穩(wěn)定性的有效提升）
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.11.009
附作者簡介：
張 寧,，北京理工大學(xué)2023級博士研究生,，師從陳人杰教授，研究方向為功能化電源與智能材料設(shè)計,。
黃永鑫,，北京理工大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師,。入選中科協(xié)青年人才托舉工程,。主要從事高比能二次電池關(guān)鍵材料、電化學(xué)原位表征與理論模擬技術(shù),、新體系儲能器件應(yīng)用開發(fā)等科研工作。
陳人杰,，北京理工大學(xué)教授,，博士生導(dǎo)師。國家級領(lǐng)軍人才,，入選英國皇家化學(xué)學(xué)會會士,、中國工程前沿杰出青年學(xué)者等。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料,、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料,、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、綠色二次電池資源化再生,、智能電池及信息能源融合交叉技術(shù)等方面的教學(xué)和科研工作,。
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