木材天然多层级结构助力锌离子电池稳定运行

水系锌离子电池因其高安全性、低成本和高理论容量，被视为下一代储能技术的有力竞争者。中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队，创新性地提出了一种“多层异向互连结构（HHIS）”电解质。该研究打破了传统“低迂曲度直通道利于离子传输”的惯性思维，首次揭示了木材各向异性通道（导管/纤维细胞、木射线）通过纹孔协同作用，在电场下多层调控锌离子电池中Zn2?传输的关键机制。相关工作近日发表于国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

天然木材的结构示意图，包括导管、纤维细胞和束状组织。中国林科院供图

在锌离子电池高放电深度条件下，Zn2?传输失衡、析氢反应及不均匀沉积等问题急剧恶化，导致电池快速失效，严重阻碍了其商业化进程。针对这一难题，传统电解质设计多聚焦于单一尺度调控，难以兼顾离子流均匀化与界面副反应抑制的双重需求。

研究发现，与轴向和弦向木材相比，径向木材因其细胞壁中纤维素微纤丝的多样取向及木射线的横向排布，径向木材结构可显著均匀化电极表面的电场分布与Zn2?浓度场，从源头上抑制了枝晶的“尖端效应”和二维扩散行为，从而有效避免Zn2?沿低迂曲度通道的快速、无序传输。基于上述机理，团队将脱木素木材（DW）与聚乙烯醇（PVA）复合，构建了DW-PVA复合电解质。该设计实现了宏观结构调控与微观界面优化的双重功能协同。

这种结构赋予电解质跨尺度协同调控能力，有效缓解了高电流和高放电深度条件下的离子通量集中与界面副反应问题。得益于此种从宏观到微观的多尺度协同效应，采用DW-PVA电解质的电池展现出创纪录的电化学性能：该HHIS电解质能够在高电流密度条件下稳定锌负极，实现超过9000h的超长循环寿命；在高达 83.1% 的放电深度下，仍可稳定运行超过3300h，显著优于现有报道水平，展现出卓越的界面稳定性与结构耐久性。

该工作聚焦木材横纵组织交叉区，深度挖掘并利用了其数百万年进化形成的、精妙的分级异向输运网络，为解决高放电深度下锌离子电池的界面失效问题提供了全新的“结构与功能一体化”解决方案。该研究不仅为高性能、低成本、可持续电池隔膜/电解质的开发开辟了新方向，也为木基材料的跨界、高值化利用提供了可行性路径。

该论文第一作者为中国林科院木工所与西南林业大学联培硕士研究生魏永行，通讯作者为中国林科院木工所研究员卢芸。该研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、云南省基础研究专项等项目的资助。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202522128