随着风能、太阳能等可再生能源快速发展，市场对安全低成本储能系统的需求激增。水性锌离子电池（ZIBs）因理论容量高（820 mAh g⁻¹）、环境友好等优势成为理想候选，但锌阳极在充放电过程中易产生不可控枝晶和副反应，导致电池短路、库仑效率下降，严重制约其应用前景。传统水凝胶电解质虽能抑制枝晶，却难以兼顾离子导电性与阳极稳定性——高网络密度会阻碍离子传输，而降低密度又削弱机械性能与保护能力。

武汉大学陈超吉教授、四川大学张伟副研究员合作受关节软骨梯度结构启发，成功开发出新型梯度网络水凝胶电解质（图1）。该材料由两层功能化结构组成：阴极侧采用低密度聚乙烯醇/纤维素纳米纤维（PVA/CNF）层，其大孔道与高含水量加速离子传输；阳极界面则为高密度PVA/CNF/氧化石墨烯（GO）层，丰富的羧基/羟基官能团促进Zn²⁺脱溶剂化、降低水活性，GO的介电特性还提升了Zn²⁺迁移数与离子电导率。这种仿生设计使锌对称电池在1 mA cm⁻²下稳定运行超2200小时，Zn-MnO₂全电池兼具高倍率性能与抗损伤能力。

图1 揭示了设计原理：模仿软骨近关节腔的致密胶原纤维（抗冲击）和近松质骨的疏松结构（营养交换），梯度水凝胶通过扫描电镜（SEM）证实其分层孔隙特征——PC5层孔径15–40 μm（离子快通道），PCG20层孔径3–6 μm（均化Zn²⁺流）。

图1 .受天然软骨启发的梯度网络水凝胶电解质 (a) "软骨启发"梯度网络水凝胶电解质稳定锌阳极示意图 (b) 关节软骨的光学显微镜图像 (c) PCG20–PC5水凝胶的照片 (d) PCG20–PC5水凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像 

图2 通过理论计算阐明协同机制：DFT显示GO与Zn²⁺结合能（-12.91 eV）远高于水分子（-4.73 eV），有效调控溶剂化结构；分子动力学模拟表明高密度层降低Zn²⁺水合数；LF-NMR证实GO减少自由水活性，使腐蚀电流密度降至0.27 mA cm⁻²；梯度设计使离子电导率达16.18 mS cm⁻¹，成核过电位仅49 mV。

图2. 不同水凝胶电解质中Zn²⁺传输与沉积行为的理论模拟与表征 (a) H₂O、PVA、CNF和GO分子的静电势（ESP）分布图 (b) Zn²⁺与PVA、CNF及GO分子结合能的DFT计算 (c) PC5、PC10、PC20和PCG20水凝胶电解质的径向分布函数（RDFs）及Zn–O（H₂O）配位数 (d) 含不同水凝胶电解质的锌对称电池的Arrhenius曲线及脱溶剂化活化能值 (e) 水凝胶电解质的低场核磁共振（LF-NMR）曲线 (f) 含不同水凝胶电解质的锌对称电池的Tafel图 (g) PC5、PC10、PC20、PC20−PC5和PCG20−PC5水凝胶电解质的离子电导率 (h) 铜箔上Zn电镀的电压曲线（1 mA cm⁻²） 

图3 展示锌阳极稳定性突破：PCG20-PC5组锌对称电池在5 mA cm⁻²下循环寿命达930小时（PC10组仅390小时），1 mA cm⁻²下更突破2200小时（图3c），性能优于近年报道的水凝胶体系。SEM显示循环后锌电极表面平整无枝晶，XRD未检测到副产物Zn₃SO₄(OH)₆·H₂O。Zn-Cu电池经2800次循环后库仑效率仍保持99.72%。

图3.不同水凝胶电解质中锌阳极的长期稳定性 (a) 锌对称电池的电压曲线（5 mA cm⁻²） (b) 不同电流密度下的电压曲线 (c) 1 mA cm⁻²电流密度下的电压曲线 (d) 与近期报道的水凝胶电解质的寿命对比 (e) 循环后锌电极的SEM图像 (f) 循环后锌电极的XRD图谱 (g) 非对称Zn–Cu电池的电压曲线 (h) 非对称Zn–Cu电池的库仑效率 

图4 解析沉积行为：恒电位测试表明梯度电解质将Zn²⁺扩散模式从2D平面转为3D均匀沉积；GO引入使Zn²⁺迁移数提升至0.45；原位显微成像显示PCG20-PC5组沉积层致密平坦，XRD证实(002)晶面择优生长，电场模拟验证其均匀化离子浓度场的能力。

图4.锌沉积行为研究 (a) −150 mV下的计时电流（CA）曲线 (b) Zn²⁺迁移数 (c) 锌沉积的原位光学显微镜图像 (d) 电镀锌电极的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像 (e) 锌沉积的XRD图谱 (f) 模拟电场/离子场分布 

图5 验证全电池性能：PCG20-PC5组Zn-MnO₂电池在0.15 A g⁻¹下放电容量达250.6 mAh g⁻¹，800次循环后容量保持率99%（衰减率仅0.013%/次）。柔性软包电池弯折时容量几乎不变，即使经历锤击、穿刺、剪割等破坏仍能持续点亮LED灯（图5h），展现卓越安全性。

图5.Zn–MnO₂电池的电化学性能 (a) 0.2 mV/s扫描速率下的CV曲线 (b) 0.15 A g⁻¹电流密度下的GCD曲线 (c) 倍率性能 (d) 奈奎斯特图 (e) 长循环性能 (f) 静置后的容量保持率 (g) 弯曲状态下的容量保持率 (h) 软包电池在外部损伤下为LED供电的实物图

应用前景
该研究首次将生物梯度结构理念引入电解质设计，通过仿生策略解决了锌电池动力学与稳定性的固有矛盾。梯度网络与GO界面化学的协同作用，使锌沉积速率提升的同时实现枝晶抑制，为开发安全、长寿命、耐损伤的锌基储能设备开辟了新路径。团队已实现50 cm × 50 cm水凝胶的规模化制备，标志着该技术具备产业化潜力。