北理工課題組在二次電池仿生研究方面取得系列進(jìn)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(lái)，“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(guò)對(duì)各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機(jī)理作為生物模型進(jìn)行研究，最后實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)設(shè)計(jì)并制造出更好的新型器件,、裝備,、機(jī)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(kāi)展了系列探索研究工作,，近日，以“Learning from nature: Biomimicry in secondary batteries”為題在國(guó)際頂級(jí)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(chǔ)能與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以其可再生,、壽命長(zhǎng)、成本低,、易存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注,。特別是近年來(lái)，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(yùn)輸過(guò)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(guò)類(lèi)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(jià)值和運(yùn)行機(jī)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(jī)制
圖2：電池器件和管理系統(tǒng)的仿生設(shè)計(jì)研究
課題組從生物學(xué)的角度出發(fā),，通過(guò)將二次電池系統(tǒng)中存在的問(wèn)題與生物系統(tǒng)解決類(lèi)似問(wèn)題的措施進(jìn)行分析,，提出了電池理化性能和安全性的優(yōu)化機(jī)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(kāi)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(jì),。同時(shí)，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(jī)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(lái)技術(shù)發(fā)展方向。
圖3：二次電池仿生技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向
生物多樣性帶來(lái)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(jì)性,、適應(yīng)性和兼容性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)推進(jìn)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(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科融合為基礎(chǔ),，可以構(gòu)建綠色電池,，實(shí)現(xiàn)電池材料包括開(kāi)采生產(chǎn)、組裝運(yùn)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(shí)現(xiàn)電池智能化（機(jī)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(jiān)固的外部支撐材料）和低成本化（可再生資源,、集成設(shè)計(jì)）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(jī)制,，實(shí)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(chǔ)的原理,，突破二次電池高比能策略中的多電子儲(chǔ)能機(jī)制，實(shí)現(xiàn)更高效的電子傳輸和能量存儲(chǔ)）
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(jī)制,，實(shí)現(xiàn)聚合物電解質(zhì)離子電導(dǎo)性和高機(jī)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(guò)構(gòu)建保護(hù)性屏障抵御外界侵蝕的策略，實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑保護(hù)殼層的方案改善鋰金屬體系電池中的侵蝕和腐蝕問(wèn)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(guò)引入鋅離子電池電解質(zhì)中作為功能添加劑，實(shí)現(xiàn)鋅陽(yáng)極可逆性的提高,，緩解枝晶生長(zhǎng)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(jī)制，實(shí)現(xiàn)二次電池分級(jí)儲(chǔ)能的雙重機(jī)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(dòng)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(shí)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(hù)機(jī)制,，構(gòu)建電極界面疏水外殼或定向結(jié)構(gòu)來(lái)抵御外界侵蝕，實(shí)現(xiàn)鋅離子電池中離子沉積和成核生長(zhǎng)過(guò)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(guò)特異性分子識(shí)別和界面相互作用來(lái)控制離子傳輸并防止外界侵蝕的原理,，實(shí)現(xiàn)鋰金屬二次電池中陰離子的選擇捕獲和陽(yáng)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(hù)機(jī)制,，通過(guò)構(gòu)筑內(nèi)層機(jī)械強(qiáng)度優(yōu),、外層相容穩(wěn)定強(qiáng)的電極電解液界面層，實(shí)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(jiǎn)介：
張 寧,，北京理工大學(xué)2023級(jí)博士研究生,，師從陳人杰教授，研究方向?yàn)楣δ芑娫磁c智能材料設(shè)計(jì),。
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(chǔ)能器件應(yīng)用開(kāi)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(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才,，入選英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士,、中國(guó)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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