关键词：水系锌离子电池、水凝胶电解质、纤维素纳米片、拓扑结构改性、锌枝晶抑制、柔性储能

Topology‑engineered hydrogel with cellulose nanosheets for robust and high‑capacity zinc‑ion batteries

15 October 2026

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2026.125723

 01 研究背景

随着柔性储能、大规模储能器件的快速发展，安全环保、低成本的水系锌离子电池成为当下储能领域的研究热点。相较于锂离子电池，水系锌电池具备超高安全性、环境兼容性好、锌资源储量丰富、制备成本低廉等诸多优势，是柔性可穿戴电子设备与大型储能系统的理想候选体系。

但目前水系锌离子电池仍存在两大核心瓶颈制约其产业化应用：一方面，锌金属负极在反复沉积/剥离过程中易出现局部电流富集，诱发锌枝晶无序生长，不仅会造成电池容量快速衰减，严重时还会刺穿隔膜引发电池短路；同时负极表面持续发生析氢、界面钝化等副反应，进一步破坏电极界面稳定性，大幅缩短电池服役寿命。

另一方面，传统聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶电解质存在固有性能权衡矛盾：通过提高交联密度提升凝胶力学强度与抗疲劳性能，会压缩离子传输通道、降低离子电导率；而降低交联度保障离子传导效率，又会导致凝胶力学性能薄弱，受压易破损、形变易失效，难以同时兼顾力学稳定性与优异电化学性能。

针对上述两大技术瓶颈，本文选取绿色生物质基二维纤维素纳米片（CNS）作为拓扑改性功能单元，对传统PAM水凝胶进行微观结构重构与性能优化。CNS表面富含羟基、羧基等极性官能团，一方面可与PAM分子链形成大量可逆氢键，构筑“化学交联+物理氢键”双交联网络，在不牺牲离子传导性能的前提下大幅提升水凝胶力学强度与抗疲劳性能；另一方面可通过极性位点与锌离子产生弱相互作用，构建可控离子传输通道，规整锌离子迁移路径，实现均匀沉积，从源头抑制枝晶生长与析氢副反应。研究设置纯PAM、适中掺杂PC-0.3、过量掺杂PC-1.0三组对照样品，系统探究CNS掺杂量对水凝胶微观形貌、力学性能、离子传输机制及电池电化学性能的调控规律，为高性能柔性水系锌离子电池电解质的结构设计与性能优化提供可靠的理论与实验支撑。

02 结果与讨论

图1水凝胶制备工艺、微观形貌及力学抗疲劳性能

本图完整展示了纯PAM、PC-0.3、PC-1.0三种水凝胶的制备流程、微观孔隙结构、流变特性及循环压缩抗疲劳性能，系统阐明了CNS掺杂量对水凝胶拓扑结构与力学稳定性的调控规律。

SEM微观形貌结果显示，纯PAM水凝胶仅依靠单一化学交联成型，内部孔隙结构松散杂乱、孔径大小不均、孔壁单薄，整体网络结构稳定性极差。当引入适量CNS制备PC-0.3复合水凝胶时，二维CNS纳米片可均匀穿插分散于PAM三维网络中，通过表面羟基、羧基与PAM分子链形成大量氢键辅助交联，有效重构凝胶拓扑结构，构筑出孔径均匀、孔道连续贯通、孔壁致密稳固的多级孔隙结构。该结构既可以为锌离子传输提供充足且稳定的通道，又能有效支撑凝胶整体骨架，提升结构稳定性。而CNS过量掺杂的PC-1.0样品，二维纳米片易发生团聚堆叠，造成凝胶内部结构紊乱，出现局部致密区与空洞缺陷，彻底破坏水凝胶网络均匀性。

流变测试结果进一步量化验证了结构差异带来的力学性能区别：PC-0.3的储能模量显著优于纯PAM与PC-1.0，证明适量CNS掺杂可有效提升凝胶交联密度，增强凝胶刚性与结构稳定性；而过量CNS因团聚无法有效参与网络构建，力学增强效果大幅受限。

循环压缩-卸载抗疲劳测试更贴合电池实际服役工况：纯PAM水凝胶在多次循环压缩后易发生不可逆塑性形变，网络结构塌陷破损；PC-1.0因内部结构不均，反复受力后会产生明显疲劳损伤；而PC-0.3水凝胶在大应变反复压缩条件下，可实现快速回弹，多次力学循环后结构无破损、性能无衰减，展现出优异的机械耐受性与结构稳定性。

小结：精准可控的CNS掺杂可有效优化水凝胶拓扑孔隙结构，协同提升凝胶力学强度与抗疲劳性能，过量填料团聚则会反向破坏凝胶结构、劣化力学性能。

图2 分子相互作用与锌离子传输分子动力学模拟

为从分子尺度揭示CNS改性提升电池性能的内在机理，研究结合FT-IR红外光谱、XPS光电子能谱与分子动力学模拟，系统分析了凝胶内部的分子相互作用及Zn²⁺迁移传输机制。

FT-IR测试结果表明，引入CNS后，PAM分子链上酰胺基团的特征峰发生显著偏移，证实CNS表面丰富的羟基、羧基可与PAM酰胺基团形成大量可逆氢键，成功构建出「化学交联为主、物理氢键为辅」的双交联复合网络，从分子层面优化了水凝胶的整体网络结构。XPS测试结果进一步佐证了该结论，改性后凝胶体系中O、N元素的化学环境发生明显改变，直接证明PAM与CNS之间存在强烈的界面相互作用。

分子动力学模拟直观还原了不同凝胶体系内锌离子的迁移机制：纯PAM凝胶内部仅存在无序孔隙，无定向离子传输通道，Zn²⁺迁移随机杂乱，极易在电极界面局部富集，诱发不均匀成核与枝晶生长。而PC-0.3体系中，均匀分散的CNS纳米片可凭借表面极性位点对Zn²⁺进行动态吸附捕获，且相互作用强度温和可逆，既能暂时锚定离子、均衡离子分布，又可适时释放离子，形成“动态捕获-可控释放”的新型传输模式。同时二维片层结构搭建起连续、低阻力的离子扩散通路，有效降低Zn²⁺迁移能垒，显著提升离子传输均匀性与效率。反观PC-1.0样品，过量CNS发生严重团聚，堵塞凝胶内部孔隙通道，极大阻碍锌离子扩散，导致离子传输性能大幅衰减。

小结：CNS通过氢键作用优化凝胶网络结构，同时依托极性界面调控锌离子输运行为，实现均匀、高效的离子迁移，从分子本质上解决了传统凝胶离子传输无序、效率低的问题。

图3锌负极界面稳定性、原位沉积行为及副反应抑制性能

电极/电解质界面稳定性是决定锌电池循环寿命的核心关键，本图通过原位形貌观测、Tafel极化、LSV线性扫描、EIS阻抗及离子电导率测试，全面验证PC-0.3水凝胶对锌负极界面的优化与保护效果。

原位光学显微观测结果直观展现了锌沉积动态过程：在纯PAM电解质体系中，锌离子迁移无序、界面电流分布不均，短时间内电极表面便出现大量凸起位点，逐步生长为尖锐枝晶，极易刺穿隔膜引发电池短路失效。而PC-0.3复合凝胶体系下，锌负极全程保持平整致密的沉积界面，无局部凸起、无枝晶滋生，证明改性凝胶可从源头调控锌离子均匀沉积，彻底规避枝晶生长风险。

多项电化学测试结果进一步量化验证界面优化效果：Tafel极化测试表明，PC-0.3体系的析氢过电位显著提升，可有效抑制水系电池最普遍的析氢副反应，减少电极界面气泡堆积、腐蚀钝化等问题，稳固锌负极界面结构。LSV线性扫描测试证实，该复合水凝胶拥有宽泛且稳定的电化学窗口，完全适配水系锌电池的常规工作电压区间。EIS阻抗测试结果显示，PC-0.3电解质与电极界面贴合更紧密，电荷转移阻抗显著降低，有效优化电池界面反应动力学。同时离子电导率测试证明，改性后的复合水凝胶在提升力学稳定性、优化电极界面的同时，依旧保持优异的离子传导能力，完美破解了传统水凝胶“力学强度与离子电导相互制衡”的行业痛点。

小结：PC-0.3水凝胶可有效平整锌沉积界面、抑制枝晶生长与析氢副反应，优化界面动力学性能，实现超稳定的锌负极界面环境。

图4 对称电池沉积/剥离稳定性与长循环性能

Zn||Zn对称电池是评价锌负极沉积/剥离可逆性与界面长效稳定性的核心模型，本图系统对比三组电解质在多梯度电流密度下的长循环稳定性、极化特性及循环后负极微观形貌。

电化学循环测试结果显示，纯PAM电解质组装的对称电池极化电压大、电压波动剧烈，循环过程中频繁出现电压突变，存在明显短路隐患，循环寿命极差；PC-1.0因CNS团聚导致离子传输不均、电极界面接触不良，同样存在极化严重、性能快速衰减的问题，无法实现稳定长循环。

与之形成鲜明对比的是，PC-0.3对称电池在0.2 mA cm⁻²、0.5 mA cm⁻²、1.0 mA cm⁻²多梯度电流密度下，均表现出极低且高度稳定的极化电压，可实现超长周期的稳定锌沉积/剥离循环，全程无剧烈电压波动、无短路、无失效现象，大幅提升了锌负极的电化学反应可逆性与长期服役稳定性。

循环后锌负极SEM形貌完美印证了电化学测试结果：PC-0.3对应的锌负极表面平整光滑，沉积层致密均匀，无枝晶、无腐蚀孔洞；而纯PAM与PC-1.0组负极表面粗糙不堪，枝晶丛生、局部腐蚀严重，界面结构彻底破坏。

小结：CNS拓扑改性网络可有效均匀化界面电场、均衡锌离子通量，杜绝局部离子富集，实现长效稳定的锌沉积/剥离，显著延长锌负极与电池整体使用寿命。

图5Zn||MnO₂全电池电化学性能

为验证复合水凝胶电解质的实际应用价值，研究组装经典Zn||MnO₂全电池，通过充放电曲线、倍率性能、长循环稳定性测试，完成体系实用性验证。

充放电曲线结果表明，PC-0.3基全电池的充放电平台平稳、电压极化极小，氧化还原反应可逆性优异；而纯PAM与PC-1.0组装的电池均存在明显的极化偏移、充放电平台倾斜等问题，反应可逆性较差。

倍率性能测试显示，在逐级提升的梯度电流密度下，PC-0.3全电池始终保持最高的放电比容量，即使在大电流快速充放电工况下，仍具备优异的容量保持率，展现出极佳的倍率适配性，证明改性水凝胶可有效加速电荷传输动力学，适配复杂充放电场景。

在0.5 A g⁻¹的长循环稳定性测试中，PC-0.3基锌锰全电池经过上千次充放电循环后，容量保持率远优于纯PAM与PC-1.0两组对照组，容量衰减速率极低、循环稳定性优异。该结果充分证明，CNS拓扑改性带来的均匀离子输运、稳定电极界面、抑制副反应等多重优势，可完美适配实际全电池工作体系，能够长期维持电池稳定工作，显著提升储能器件的长效服役寿命与可靠性。

小结：PC-0.3复合水凝胶电解质可显著提升锌锰全电池的放电容量、倍率性能与循环稳定性，具备优异的实际储能应用价值。

图6柔性电池形变稳定性与器件应用演示

依托PC-0.3水凝胶优异的柔韧性与抗疲劳性能，研究进一步构筑柔性Zn||MnO₂电池，探究其在不同形变状态下的电化学稳定性与可穿戴器件应用潜力。

不同弯折状态测试结果表明，柔性电池在平直、大角度弯折、反复动态弯折等多种形变条件下，充放电曲线几乎无畸变、无容量断崖式衰减，电化学性能几乎不受机械形变影响。这得益于PC-0.3水凝胶优异的结构适配性与抗疲劳特性，形变过程中可始终保持电极与电解质紧密贴合，离子传输通道连续通畅，不会出现开裂、脱层、失效等问题。

多次弯折循环耐久测试证实，该柔性电池具备优异的机械耐受与抗疲劳性能，反复形变后容量衰减几乎可以忽略，电化学性能稳定性极强。实物器件演示实验进一步验证了其实际应用价值，处于弯折状态的柔性电池可稳定驱动温度传感器持续工作，输出电压平稳、工作状态可靠，充分展现出该复合水凝胶电解质在柔性可穿戴储能器件中的巨大应用潜力。

小结：PC-0.3水凝胶电解质兼具优异的柔韧性、结构稳定性与界面适配性，可构筑高形变耐受性的柔性锌离子电池，在可穿戴储能器件领域具备广阔的应用前景。

03 全文总结

本文以绿色、可再生的生物质二维纤维素纳米片为功能改性填料，对传统PAM水凝胶开展拓扑结构工程化改性，通过精准调控CNS掺杂比例，成功制备出高性能PC-0.3复合水凝胶电解质，针对性解决了传统水系锌电池电解质力学与电化学性能制衡、锌负极界面易失效、枝晶及副反应频发等一系列核心难题。

1. 适量CNS可通过氢键作用优化水凝胶拓扑孔隙结构，构建双交联网络，显著提升凝胶力学强度与抗疲劳性能，过量填料团聚则会破坏网络结构、劣化性能；

2. CNS极性界面可构筑「捕获-释放」型离子传输通道，降低Zn²⁺迁移能垒，实现锌离子均匀输运，从源头抑制枝晶生长；

3. 改性水凝胶可有效优化锌负极界面、抑制析氢副反应、降低界面阻抗，实现锌负极超稳定长周期沉积/剥离；

4. 组装的Zn||MnO₂全电池具备高容量、优倍率、长循环特性，柔性电池可适配复杂形变工况，稳定驱动可穿戴器件工作。

该工作创新性利用生物质纳米材料实现水凝胶电解质的拓扑结构优化，兼顾材料绿色性、力学稳定性与电化学高性能，为高性能、安全、长效稳定的柔性水系锌离子储能器件的电解质设计、改性及产业化应用，提供了全新的研究思路与坚实的实验理论支撑。