近日，我校轻工科学与工程学院刘苇教授团队围绕天然纤维素材料在新能源领域的高附加值应用，创新设计了羟丙基纤维素-三氟甲磺酸锌复合涂层，并将其应用于水系锌离子电池负极保护，实现了“氢键网络稳定界面+亲锌位点调控沉积”的协同作用。相关研究成果以“Hydrogen bond network-enhanced zincophilic hydroxypropyl cellulose hybrid layer for ultra-stable zinc metal anode”为题，发表在国际能源领域顶级期刊Carbon Energy。我校轻工科学与工程学院研究生黄毅和青年教师刘圳杰博士为共同第一作者，刘苇教授和深圳大学轷喆教授为共同通讯作者，天津科技大学为第一作者和通讯作者单位。
水系锌离子电池凭借高安全性、环保性及低成本优势，成为储能电网领域的重要候选技术之一。然而，锌负极与电解液界面的动态不稳定性始终是制约其商业化的核心难题，其根源在于界面电化学反应动力学失衡、界面水结构紊乱及固体电解质界面层分布不均。现有人工保护层方案中，无机材料存在柔韧性差、易开裂的缺陷，传统有机聚合物则面临离子电导率低、环保性不足的问题，亟需开发兼具高稳定性、高离子传导性与可持续性的新型界面调控策略。
依托天然纤维素羟基结构形成氢键网络的特性优势，研究团队创新性地提出了亲锌杂化涂层设计方案，据此设计了由羟丙基纤维素（HPC）与三氟甲磺酸锌复合而成的人工保护层，达到了“一石三鸟”的目的：一方面，HPC的多羟基结构可重构界面氢键网络，不仅可稳定界面水以抑制析氢副反应，还能将水合锌离子脱溶剂化活化能从32.42 kJ mol⁻1降至14.38 kJ mol⁻1，大幅加速离子传输动力学；另一方面，HPC分子链中的醚键官能团作为亲锌位点，与锌离子形成配位作用，引导锌均匀成核，同时三氟甲磺酸锌的引入使涂层离子电导率提升至0.28 mS cm⁻1，Zn2+迁移数达0.78，解决了电极反应与离子扩散的动力学失衡问题；此外，HPC优异的柔韧性与界面粘附性，可有效缓解锌负极循环中的体积形变，保障人工保护层结构完整性。
该研究所构建的负极材料展现出卓越的电化学性能：在0.5 mA cm⁻2、0.25 mAh cm⁻2条件下，HZ@Zn||HZ@Zn对称电池实现了超9500 h的超长循环寿命，远超裸锌负极（仅813 h）；在1 mA cm⁻2、0.5 mAh cm⁻2条件下，HZ@Zn||Cu半电池循环4500次后仍保持99.3%的高平均库伦效率；以聚苯胺（PANI）为正极组装的HZ@Zn||PANI全电池，在5 A g⁻1高电流密度下循环4000次后容量保持率达89.79%。分子动力学模拟与原位表征证实，HZ涂层可通过氢键网络调控界面水结构，减少水分子间强氢键占比（从59.1% 降至45.6%），并引导Zn2+三维均匀扩散，从根本上抑制枝晶生成与副反应发生。
近年来，在我校“先锋计划”牵引下，依托生物基纤维材料全国重点实验室，轻工科学与工程学院持续推动生物基材料在电化学领域中的创新应用，鼓励团队围绕关键技术难题开展原创性探索，取得了系列成果。未来，学院将进一步深化跨学科合作，为教师提供更广阔的发展空间，为建设多科性特色化高水平研究型大学贡献力量。
