超强仿生"砖-泥"结构人工SEI层实现无枝晶锌负极

锌离子电池因枝晶生长问题严重制约其实际应用。研究人员受贝壳"砖-泥"微观结构启发，开发出由二维蛭石纳米片（VMT）与生物聚合物组装的人工界面层（BIL），兼具9.8 GPa超高模量和2.1 mS cm-1离子电导率，使对称电池在1 mA cm-2下稳定循环2500小时，Zn||MnO2全电池循环550次后容量保持132 mAh g-1，为高性能锌金属负极设计提供新思路。

　　

随着全球对可持续能源需求的增长，水系锌离子电池因其高安全性、低成本和环境友好特性备受关注。然而，锌金属负极在实际应用中面临枝晶生长和腐蚀两大难题，这直接导致电池短路和容量衰减。传统的人工固体电解质界面（SEI）层往往难以兼顾机械强度和离子传输性能——要么太脆弱无法抵抗锌沉积的应力，要么离子传导性不足影响电池动力学。自然界中贝壳的"砖-泥"结构为这一难题提供了绝佳灵感：坚硬的碳酸钙片层与柔性的生物大分子交替排列，既保证了强度又保持了韧性。

哈尔滨工业大学和斯德哥尔摩大学的研究团队创新性地将这一仿生理念应用于锌负极保护。他们选用天然蛭石（VMT）经酸处理获得二维纳米片作为"砖块"，再生丝素蛋白（rSF）和海藻酸钠（SA）作为"泥浆"，构建出具有分级结构的生物启发界面层（BIL）。该研究通过精确调控材料组成和微观结构，成功解决了人工SEI层强度与导电性不可兼得的矛盾，相关成果发表在《Matter》期刊。

关键技术方法包括：1）通过离子交换和酸处理制备单层蛭石纳米片；2）利用生物聚合物自组装构建仿生层状结构；3）纳米压痕技术定量表征界面层力学性能；4）结合电化学阻抗谱（EIS）和密度泛函理论（DFT）分析离子传输机制；5）采用对称电池和Zn||MnO₂全电池评估电化学性能。

材料表征与设计原理
XRD和XPS分析显示，酸处理后的蛭石（ac-VMT）具有更均匀的层间距和质子化表面。红外光谱证实生物聚合物与蛭石通过氢键形成紧密连接，其羧酸根基团促进Zn²⁺迁移。SEM显示BIL呈现典型的贝壳状层状结构，厚度约520 nm。

力学性能突破
纳米压痕测试表明BIL的储能模量达9.8 GPa，硬度超过0.5 GPa，是纯蛭石层的两倍。相场模拟证实，该强度足以使沉积锌发生塑性变形，将枝晶尖端压平为颗粒状沉积物（图3D）。

离子传输优化
BIL的Zn²⁺迁移数提升至0.76，离子电导率达2.1×10^-3 S/cm。DFT计算显示生物聚合物修饰的纳米通道能显著降低Zn²⁺扩散能垒（图S14A），层间距（1.04 nm）恰好介于水合Zn²⁺尺寸与其两倍直径之间，实现限域快速传输。

电化学性能
在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下，BIL保护的对称电池循环2500小时无短路，是裸锌的6倍寿命（图5A）。使用超薄锌箔（6 μm，4 mAh cm^-2）的全电池循环550次后，容量保持率高达100%，且无Zn₄SO₄(OH)₆·5H₂O等腐蚀产物生成（图4F）。

这项研究通过仿生结构设计打破了人工SEI层性能瓶颈，其创新点在于：1）首次将贝壳的"砖-泥"强化机制应用于电池界面工程；2）建立纳米限域通道与表面化学协同的离子传输新路径；3）实现工业级电流密度（5 mA cm^-2）下的长循环。该工作为其他金属负极（如锂、钠）的界面保护提供了普适性设计范式，推动高安全储能器件向实用化迈进。