随着全球对可再生能源存储需求的不断增长，水系锌离子电池因其高安全性、低成本和高理论容量而备受关注。然而，传统的锌箔负极存在枝晶生长、副反应严重和循环寿命短等固有缺陷。相比之下，锌粉负极具有更高的比表面积和更均匀的电流分布，但面临体积变化剧烈、电极结构易失效等挑战。粘结剂作为维持电极完整性的关键组分，其力学性能、黏弹性和离子渗透性对锌粉负极的长期稳定运行至关重要。当前商用粘结剂难以同时满足这些需求，亟需开发新型多功能粘结剂以推动锌粉负极的实际应用。
近期，武汉大学陈朝吉教授、余乐副研究员课题组提出了一种功能导向的模块化分子设计策略，成功合成出一种基于壳聚糖的自修复粘结剂。该粘结剂采用可逆加成-断裂链转移聚合技术构建，具有刷状聚合物结构，集成了多种功能模块：壳聚糖骨架提供优异的机械强度和丰富的反应位点；苯环通过π-π堆叠增强与导电剂的相互作用；离子液体模块赋予材料自修复能力和强黏附性；丙烯酸片段则提升力学柔韧性与离子渗透性。这种名为Chi-Binder的材料在提升锌粉负极循环稳定性、抑制副反应和适应大体积变化方面表现出显著优势，为高性能锌基电池的开发提供了新思路。相关论文以“Function-Oriented Modular Molecular Design of a Chitin-Derived Self-Healable Binder for Promising Zinc Powder Anodes”为题，发表在Advanced Materials。
研究团队首先通过核磁共振、红外光谱和热重分析证实了Chi-Binder的成功合成。材料表现出良好的光学透明性和热稳定性，分解温度高达360.3°C。力学测试显示，Chi-Binder具有典型的黏弹性行为，在循环拉伸后能快速恢复模量和韧性，其自修复效率在12小时内可达95%以上。浸泡于常用电解液后，材料发生轻微溶胀，力学性能不降反升，同时离子电导率提升近一倍，说明其能有效协调电解质浸润与结构完整性之间的平衡。
图1 | Chi-Binder在ZnMP电极中的设计理念与应用前景。 (a) 壳聚糖及通过RAFT聚合合成的多功能化Chi-Binder的化学结构示意图。 (b) 证明Chi-Binder成功合成的¹H NMR谱图。插图为200微米厚Chi-Binder薄膜的光学透明性照片。 (c) 壳聚糖和Chi-Binder的热重曲线。 (d) Chi-Binder的DSC曲线。 (e) 展示Chi-Binder与各电极组分之间超分子相互作用的示意图，这些相互作用是高性能ZnMP电极的关键。 (f) 两种ZnMP浆料配方黏度随剪切速率的变化。插图为固含量50 wt.%的ZnMP浆料的流动性照片。 (g) 在新鲜树叶上丝网印刷的柔性电极。
图2 | Chi-Binder的力学、自修复及黏附性能。 (a) 通过固定拉伸应变100%的循环拉伸测试，Chi-Binder在不同等待时间后的恢复情况。 (b) 完全切断后，在25°C下经过不同自修复时间的Chi-Binder的典型拉伸应力-应变曲线。插图为自修复效率（%）随时间变化的曲线。效率根据自修复后样品的拉伸强度与原始样品的比值估算。 (c,d) 展示Chi-Binder在4 m Zn(OTf)₂电解液中浸泡后自修复能力和黏附能力的数码照片。 (e) 原始与溶胀后Chi-Binder的FTIR光谱。 (f) 原始与溶胀后Chi-Binder的拉伸应力-应变曲线。 (g) 原始与溶胀后Chi-Binder的拉伸强度、韧性和杨氏模量。 (h) 夹在两片不锈钢板之间的原始与溶胀后Chi-Binder薄膜的电化学阻抗谱，以及(i)计算得到的离子电导率。 (j) 使用溶胀Chi-Binder薄膜作为电解质的Zn对称电池在0.2 mA cm⁻²/0.2 mAh cm⁻²条件下的锌沉积/溶解电压曲线。 (k) Zn对称电池中Chi-Binder在25 mV电压偏置下的计时电流响应；插图为直流极化前后的EIS结果。
在电极制备方面，使用Chi-Binder的锌粉浆料展现出优异的流变性能，适用于刮涂、丝网印刷等多种工艺。剥离测试表明，Chi-Binder的剥离强度显著高于商用PVDF-HFP粘结剂，且能有效维持电极层与集流体之间的牢固结合。扫描电镜观察证实，Chi-Binder能均匀包覆锌粉颗粒，形成连续的三维网络结构，即使在高负载量下仍保持电极完整，抑制锌粉与电解液的直接接触，从而减少腐蚀和析氢反应。
图3 | 使用Chi-Binder制备的ZnMP电极的表征。 (a) 以铝箔为集流体，通过刮涂工艺制备的8 cm × 13 cm Chi-Binder-ZnMP电极的数码照片。 (b) 通过180°剥离测试获得的、锌粉负载量约6 mg cm⁻²的ZnMP电极的剥离力-位移曲线。 (c) 剥离测试后ZnMP电极外观的数码照片。 (d) 展示两片Chi-Binder-ZnMP电极粘合后能承受50 g负载的数码照片，右侧为对应侧视示意图。 (e) 刮涂ZnMP电极的代表性截面SEM图像。 (f) Chi-Binder-ZnMP电极的表面SEM图像及对应的C、O、S、F和N元素分布图。 (g) 记录ZnMP电极在不同超声处理时间下结构完整性的数码照片。上下面板分别对应PVDF-HFP和Chi-Binder。 (h) 数码照片及(i) XRD谱图：在4 m Zn(OTf)₂中储存15天后，使用PVDF-HFP和Chi-Binder制备的ZnMP电极。附上相同储存条件下的锌箔XRD谱图以供比较。
电化学性能评估进一步凸显了Chi-Binder的优越性。原位光学显微镜观察发现，使用Chi-Binder的电极在锌沉积过程中表面保持平整，无气泡产生；而基于PVDF-HFP的电极则出现剧烈膨胀与不规则沉积。对称电池测试中，Chi-Binder-ZnMP电极在0.5 mA cm⁻²条件下循环寿命超过700小时，远优于对照电极。即使在深度放电条件下，电极仍表现出良好的循环稳定性。全电池测试中，采用Chi-Binder的ZnMP||V₂O₅电池在高倍率下容量保持率更高，且具备良好的抗自放电能力和机械柔韧性，在弯曲、折叠等恶劣条件下仍能稳定工作。
图4 | 锌沉积/溶解行为。 (a) 从截面视角对Zn对称电池中锌沉积的原位光学观察，以及示意图说明不同沉积行为的根源，上面板和下面板分别对应PVDF-HFP-ZnMP和Chi-Binder-ZnMP电极。 (b,c) 以锌箔、PVDF-HFP-ZnMP和Chi-Binder-ZnMP电极为特征的对称电池在不同放电深度下的长期锌沉积/溶解电压曲线。 (d) 截面、(e) 表面SEM图像，以及(f) 循环后的PVDF-HFP-ZnMP和Chi-Binder-ZnMP电极的3D表面形貌。(e) 右侧图像为标注区域的对应放大视图。(f) 中的Sₐ：算术平均高度。 (g) Zn||Cu不对称纽扣电池在2 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²和4 mA cm⁻²/2 mAh cm⁻²条件下的库仑效率随循环次数的变化。 (h) Chi-Binder-ZnMP电极的循环可逆性和耐久性与先前文献（数字表示参考文献索引）的对比，重点聚焦于优化ZnMP基电极的电化学性能。
图5 | Chi-Binder实用性评估。 (a) 在固定面积容量2 mAh cm⁻²下，使用不同粘结剂的ZnMP对称电池在1至4 mA cm⁻²（以1 mA cm⁻²递增）电流密度下的电压曲线。 (b) ZnMP||V₂O₅纽扣电池在0.1至3 A g⁻¹不同倍率下的放电比容量和库仑效率。 (c) 与(b)对应的高倍率循环前后，在0.1 A g⁻¹下的典型充放电电压曲线。 (d) ZnMP||V₂O₅纽扣电池在1 A g⁻¹下长期循环的放电比容量和库仑效率随循环次数的变化。 (e) 使用不同ZnMP电极的ZnMP||V₂O₅纽扣电池的自放电测试。 (f) 使用Chi-Binder基ZnMP负极的ZnMP||V₂O₅原型软包电池在0.2 A g⁻¹下、受限N/P比为12时的放电比容量和库仑效率随循环次数的变化。插图表格提供了电池的关键细节。 (g) 展示Chi-Binder原型软包电池在弯曲、卷曲、折叠等严重机械滥用下仍可操作的数码照片。
综上所述，本研究通过理性的模块化分子设计，成功开发出一种兼具自修复、高黏附、离子导通与机械适应性的壳聚糖基粘结剂。该粘结剂不仅能有效缓解锌粉负极在循环中的结构退化问题，还将电极的平均库仑效率提升至99.5%，循环寿命延长至300次以上，为锌粉负极的实际应用奠定了材料基础。未来，这种功能集成的粘结剂设计策略有望拓展至其他金属负极体系，推动高性能、低成本、可持续电池技术的发展。