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  水系鋅離子電池因其安全性高、成本低、環(huán)境友好，被認為是大規(guī)模儲能領(lǐng)域極具潛力的技術(shù)路線之一。然而，傳統(tǒng)鋅箔負極在厚度、成本和加工工藝上的局限，使其難以滿足實際應(yīng)用需求。相較而言，鋅粉負極在容量調(diào)控與制造兼容性方面具有顯著優(yōu)勢，但其在反復沉積/剝離過程中易發(fā)生體積變化劇烈、電極結(jié)構(gòu)易失效等問題。作為連接活性物質(zhì)與集流體的關(guān)鍵界面材料，粘結(jié)劑在調(diào)控電極力學性能、粘彈性及離子/電子傳輸行為中發(fā)揮著不可忽視的作用。現(xiàn)有商用粘結(jié)劑難以同時滿足這些需求，限制了鋅粉負極性能的進一步提升，亟需通過分子層級設(shè)計開發(fā)具備多重功能的新型粘結(jié)劑體系。

  武漢大學陳朝吉教授&余樂副研究員團隊提出一種功能導向的模塊化分子設(shè)計理念（也即“分子積木”設(shè)計理念），以天然豐富、機械強度優(yōu)異的甲殼素為骨架，采用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合方法，合成了一種甲殼素基刷狀聚合物粘結(jié)劑（Chi-Binder），實現(xiàn)其多種功能模塊的集成與定制：甲殼素骨架提供優(yōu)異的機械強度和豐富的活性位點；苯環(huán)結(jié)構(gòu)通過π-π堆疊與導電劑產(chǎn)生相互作用；離子液體基團賦予材料自修復能力和強黏附性；丙烯酸單元能夠提升材料的力學柔韌性并促進Zn²⁺的配位傳輸（圖1）。采用該粘結(jié)劑制備的鋅粉負極在機械穩(wěn)定性、電化學循環(huán)壽命以及高電流密度運行能力方面均表現(xiàn)出明顯提升，為高性能鋅基電池的開發(fā)提供了新思路。

  2026年2月3日，相關(guān)論文以“Function-Oriented Modular Molecular Design of a Chitin-Derived Self-Healable Binder for Promising Zinc Powder Anodes”為題，發(fā)表在Advanced Materials。本文第一作者為課題組2023級碩士研究生曾宣淯和2023級博士研究生王志強，通訊作者為陳朝吉教授和余樂副研究員，通訊單位為武漢大學。

圖1. 功能導向的模塊化分子設(shè)計理念（也即“分子積木”設(shè)計理念）實現(xiàn)甲殼素基粘結(jié)劑的功能集成與定制

圖2. Chi-Binder在ZnMP電極中的設(shè)計理念與應(yīng)用前景。

  研究團隊首先通過核磁共振、紅外光譜和熱重分析證實了Chi-Binder的成功合成。材料表現(xiàn)出良好的光學透明性和熱穩(wěn)定性。系統(tǒng)闡明了Chi-Binder 的設(shè)計邏輯與多功能協(xié)同機制：甲殼素骨架提供優(yōu)異的機械強度和豐富的活性位點；苯環(huán)結(jié)構(gòu)通過π-π堆積與導電劑產(chǎn)生相互作用；離子液體基團賦予材料自修復能力和強黏附性；丙烯酸單元能夠提升材料的力學柔韌性并促進Zn²⁺的配位傳輸。

圖3. Chi-Binder的力學、自修復及粘附性能

  力學測試顯示，Chi-Binder具有典型的粘彈性行為，在循環(huán)拉伸后能快速恢復模量和韌性，其自修復效率在室溫12小時內(nèi)可達95%以上，在電解液中仍可保持自修復與粘附性。浸泡于電解液后，材料可發(fā)生輕微溶脹，由于強烈的 Zn²⁺-羧酸鹽配位相互作用，力學性能不降反升，同時離子電導率提升近一倍，說明其能有效協(xié)調(diào)電解質(zhì)浸潤與結(jié)構(gòu)完整性之間的平衡。

圖4. 使用Chi-Binder制備的ZnMP電極的表征

  在電極制備方面，使用Chi-Binder的鋅粉漿料展現(xiàn)出優(yōu)異的流變性能，適用于刮涂、噴涂、絲網(wǎng)印刷等多種工藝。剝離和超聲測試表明，Chi-Binder的粘結(jié)性能優(yōu)異，能有效維持電極層與集流體之間的牢固結(jié)合。掃描電鏡觀察證實，Chi-Binder能均勻包覆鋅粉顆粒，形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在高載量下仍能保持電極完整，抑制鋅粉與電解液的直接接觸，減少腐蝕和析氫反應(yīng)。

圖5. 鋅沉積/溶解行為及其電化學性能

  通過電化學性能測試，驗證了Chi-Binder對鋅粉電極電化學性能的提升。原位光鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Chi-Binder電極在200分鐘的鋅沉積過程中表面保持平整，無氣泡產(chǎn)生；而PVDF-HFP電極則出現(xiàn)不規(guī)則沉積并伴有氣泡產(chǎn)生。對稱電池測試中，Chi-Binder-ZnMP電極在0.5 mA cm^-2/0.5 mAh cm^-2 條件下循環(huán)壽命超過700小時，遠優(yōu)于對照電極。即使在深度放電條件下，電極仍表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。全電池測試中，采用Chi-Binder的ZnMP||V₂O₅電池在高倍率下容量保持率更高，且具備良好的抗自放電能力和機械柔韌性，在彎曲、折疊等惡劣條件下仍能穩(wěn)定工作。

圖6. Chi-Binder實用性評估

  綜上所述，本研究通過模塊化分子設(shè)計（“分子積木”）策略，構(gòu)建了一種兼具自修復、高黏附、離子導通與機械適應(yīng)性的甲殼素基刷狀聚合物粘結(jié)劑，系統(tǒng)性緩解了鋅粉負極在水系電解液中普遍存在的結(jié)構(gòu)失效問題。在上述多重功能協(xié)同作用下, Chi-Binder電極在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2條件下的循環(huán)壽命提升至約300 圈，平均庫倫效率高達99.5%。更重要的是，該研究證明了通過分子層級精細設(shè)計粘結(jié)劑結(jié)構(gòu)，可以在復雜電極體系中實現(xiàn)多重功能的協(xié)同調(diào)控，為鋅負極乃至其他高體積變化金屬負極材料的穩(wěn)定化提供了一條具有普適意義的高分子設(shè)計新路徑。

  此研究工作得到了國家自然科學基金（22461142135, 52202288）的資助。同時感謝武漢大學分析測試中心和科研公共服務(wù)條件平臺對材料表征測試的支持。

  課題組網(wǎng)站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm

  論文信息：

  X. Zeng, Z. Wang, L. Yu, et al. “Function-Oriented Modular Molecular Design of a Chitin-Derived Self-Healable Binder for Promising Zinc Powder Anodes.” Advanced Materials (2026): e19775.

  https://doi.org/10.1002/adma.202519775