受蜂窝形状的启发，湖南大学这一团队设计新型电池负极

　　柔性锌离子电池(ZIBs)是后Li时代柔性和安全能源系统的一个有前途的进入者，而锌阳极的不稳定性，包括低柔韧性，不可控的电镀和枝晶生长仍然是一个挑战。 在此，湖南大学段辉高教授&张冠华副教授团队受自然启发，通过机械电化学处理，展示了一种拓扑优化的仿生蜂窝锌(BH-Zn)阳极。 数值模拟和实验观测结果表明，BH-Zn产生了平滑的电流-应力-热场分布，同时实现了多场调节效应，提高了稳定性。原位合金化后，BH-Zn能使电压极化减半，2000 h循环的优越电化学稳定性，甚至在30 mA cm-2下也能保持热稳定性。此外，组装后的ZIBs显示出超过20倍的容量保持能力，并集成为自供电的可穿戴系统，用于实时健康监测。这一策略可以扩展到可定制的金属阳极，并有望应用于稳定的柔性电池。
　　原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300419
　　图1：天然蜂窝状结构启发仿生电极的设计
　　照片显示a)3D自然蜂巢，b)2D扁平蜂巢结构，c)拓扑优化的圆形孔与蜂巢启发的再分配。将正六边形蜂窝孔拓扑优化为无顶点曲线光滑的圆孔，圆孔在正六边形顶点和圆心处有序分布。d)三角形(左)、方形(中)和拓扑优化的圆形(右)孔阵列诱导的电流密度重分布的理论模拟。边长和直径统一为10 µm。I0为归一化最大电流密度强度。e)下面板显示了不同结构单孔电流强度的再分布。拓扑优化后的圆孔电流分布均匀，过渡平稳，三角孔和方孔电流集中，中间部分电流波动剧烈。
　　图2：BH-Zn电极的制备与表征
　　a)通过模压光刻、电化学沉积、剥离和替换反应制备的无骨架BH-Zn的示意图，其中被替换的Ag纳米颗粒均匀而紧密地包覆在Zn上。b)微孔分布均匀的大面积BH-Zn电极的SEM图像。c)均匀直径 10µm的微孔放大SEM图。d)厚度约为2 μm的Ag纳米颗粒完全覆盖在Zn上的高倍放大SEM图像。插图：明显分层和成功更换过程的截面图像。e)表面平整、微孔排列规律的BH-Zn的光学表面轮廓成像。f)无骨骼超轻型BH-Zn的照片躺在彩色泡泡上。g)BH-Zn(4.2 mg cm-2和9 μm)和其他常用衬底的面密度和厚度图。h)BH-Zn在10000次弯曲试验下的电阻保留曲线(R/R0)，其中Δ为整个弯曲过程中的电阻变化，R0为原始电阻。插图是BH-Zn电极弯曲前后的照片。i)4条BH-Zn在网线与工作站之间传输数据。
　　图3：BH-Zn和P-Zn上镀锌的透射电镜表征和DFT计算
　　a)循环后在BH-Zn表面原位形成合金界面(AgZn3)的TEM图像和b)HRTEM图像。c)AgZn3在BH-Zn上不同吸附位点的概述。d)AgZn3合金化与纯锌与Zn原子的结合能。插图是纯Zn和AgZn3在顶部、桥和孔的位置吸附Zn的3D视图。
　　图4：BH-Zn和P-Zn的电化学性能及镀锌/剥锌观察
　　a)Tafel曲线显示，在三电极体系下，BH-Zn比P-Zn具有更大的自腐蚀电位。b)Zn电镀和剥离剖面图表明，在1 mA cm-2,1 mAh cm-2时，BH-Zn具有比P-Zn(88.9 mV)一半的电压滞后(41.5 mV)。c)0.1 ~ 2.0 mA cm-2电流密度谱下BH-Zn//BH-Zn和P-Zn//P-Zn对称电池的过电位曲线图。BH-Zn//BH-Zn和P-Zn//P-Zn对称电池在d)0.25 mA cm-2,0.25 mAh cm-2和e)1 mA cm-2,0.5 mAh cm-2时恒流镀锌/剥锌图，插图显示了在400到410小时的框架周期中，BH-Zn的过电位比P-Zn小。f)BH-Zn//BH-Zn对称电池在1 mA cm-2,0.5 mAh cm-2的第1、第100和第1000个周期的详细电压分布图。g)原始电极，h)镀锌，和i)锌剥离的光学照片，展示了在5 mA c cm-2,2.5 mAh cm-2下对BH-Zn//BH-Zn对称电池镀锌/剥离过程的原位观察。采用BH-Zn阳极使蜂窝微孔内优先镀锌，剥锌后保持良好接触。j)在AgZn3包覆的BH-Zn和P-Zn上镀锌的原理图。
　　图5：BH-Zn和P-Zn上镀锌热分布的红外观测和理论热模拟
　　a,f)原始电极，b,g)15 mAh cm-2(30 mA cm-2,30 min)镀锌的红外光学照片，c,h)镀后BH-Zn和P-Zn的三维热分布。与P-Zn相比，BH-Zn表现出更均匀的热分布和光滑的表面。d,e)有序排列微孔的BH-Zn和i,j)异常凸起的P-Zn上镀锌的理论热模拟。
　　图6：BH-Zn/P-Zn阳极和PVO阴极组装ZIBs的电化学性能
　　a)由柔性BH-Zn阳极、隔膜和PVO阴极组装的全电池示意图。b)BH-Zn和P-Zn激活全电池在1 mV s-1时的CV曲线图。c)在0.1 ~ 10.0 A g-1不同电流密度下，BH-Zn工程全电池比P-Zn具有整体优势的速率性能曲线图。d)5 A g-1时BH-Zn//PVO电池容量保持率和CE图。经过2000次长期循环，BH-Zn//PVO电池的容量保持率为85.5%，比P-Zn//PVO电池的4.1%提高了20倍以上。e)与最近报道的锌基电池相比，BH-Zn//PVO电池的功率密度和能量密度图。静置48小时后，f)BH-Zn//PVO和g)P-Zn//PVO全电池的电压衰减图。
　　图7：将柔性ZIBs与心率传感器集成，用于健康监测
　　a)由柔性ZIBs和用于健康监测的心率检测器支持的自供电系统示意图。b)测试者使用自供电心率监测装置在跑步机上跑步的照片。插图放大心率传感器(前)和柔性ZIBs(后)附着在皮肤上。c)放松时，d)跑步后，实时监测测试者的脉搏信号。
　　综上所述，本文提出了仿生蜂窝结构的拓扑优化策略，并通过高效的机械-电化学加工制备了高稳定柔性ZIBs的BH-Zn阳极。优化后的蜂窝状结构实现了应力场、电流场和热场的平滑过渡，实现了多场调控和均匀镀锌。结合理论模拟、DFT计算和原位实验观察，原位形成合金界面的BH-Zn阳极表现出优异的力学和电化学性能，在10000次循环中表现出优异的弯曲稳定性，P-Zn的电压极化降低了一半(41.5 vs 88.9 mV)，循环寿命显著延长超过2000 h，在30 mA cm-2时热分布均匀。此外，在电流密度增加100倍的情况下，BH-Zn阳极柔性ZIBs仍能保持42%的容量，在2000次循环后，电化学稳定性提高了20倍以上。此外，柔性ZIBs集成了心率传感器，自供电系统实现了可靠的脉搏检测，用于健康监测。该策略有望应用于其他金属阳极和高稳定柔性电池的实际应用。