**1. 引言** 不可再生能源资源（包括煤炭和石油）的持续消耗导致了严重的环境退化，表现为大气污染、气候变化和生态破坏[1]。将仿生策略与先进的储能技术相结合对于实现大规模可再生能源的采用和减缓环境退化至关重要，从而加速向可持续低碳未来的过渡[2]。如图1所示，仿生方法通过模仿自然的进化过程，成为提高电池可靠性和适应性的关键要素[3]、[4]、[5]。其中，水基锌离子电池（AZIBs）作为一种极具前景的电网级储能解决方案，具有固有的安全性、成本效益和最小的环境影响[6]、[7]、[8]、[9]。通常，AZIBs使用锌金属作为阳极，接近中性的水基电解质、隔膜和阴极材料[10]、[11]、[12]。具体而言，锌阳极在中性/微酸性水中稳定运行，消除了易燃性和环境污染的风险[13]、[14]、[15]、[16]。锌离子（Zn2+）能够高效地进行两电子转移（Zn↔Zn2++2e−），并与AZIBs中普遍存在的H+共嵌入/提取机制协同作用。这种双离子相互作用（H+/Zn2+）使充电存储效率超过了单价锂离子（Li+）系统简单的加倍效应。H+优先嵌入阴极基质，随后锌离子被嵌入，通过可逆的Zn2+/Zn氧化还原反应和质子辅助的电化学过程，共同实现了高达820 mAh g−1的理论容量[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。此外，锌具有丰富的资源和可回收性，使其成为可持续制造的理想候选材料[22]、[23]、[24]。AZIBs的电解质通常由含有溶解锌盐（如ZnSO4、ZnCl2）的水基溶液组成，这些盐类促进了电极间的锌离子传导。这些电解质本质上是不可燃的，确保了比有机电解质更高的安全性[25]、[26]、[27]、[28]。AZIBs中的隔膜（如玻璃纤维膜）是一个关键组件，它物理隔离了阳极和阴极，同时允许锌离子传输并防止锌枝晶的穿透[29]、[30]、[31]、[32]。AZIBs的阴极主要基于锰氧化物、钒化合物或普鲁士蓝类似物[33]、[34]、[35]，其独特的晶体结构和氧化还原机制使得电池在保持结构完整性的同时能够实现稳定的循环和高效的能量转换[36]、[37]、[38]。
**2.1.1. 蜂巢结构** 天然蜂巢结构中的六角密排晶格结构以其良好的强度重量比和高效的空间利用而著称，这种几何优化配置通过均匀分布结构应力，同时保持低材料密度，表现出显著的机械强度。这一特性对于需要在长时间循环中同时具备高比容量和结构完整性的电极特别有利。最近，一种受蜂巢结构启发的结构已被应用于锂离子电池（LIBs）中，制造出具有增强结构稳定性的负极[71]，从而提高了高倍率锂离子插入和提取过程中的整体电化学性能。此外，改进后的阳极在0.2 A g−1的电流密度下实现了1388.6 mA h g−1的高放电容量，以及在5.0 A g−1的电流密度下实现了597.1 mA h g−1的出色倍率性能。从质量传输的角度来看，蜂巢结构内的相互连接的几何均匀通道有效增强了电解质渗透性，减少了离子扩散阻力，从而促进了离子的有效迁移，并确保了电极上的电解质均匀分布[72]。因此，这种设计策略对于克服传统电极架构的局限性具有巨大潜力，特别是通过减轻导致极化和性能下降的高离子传输阻力。
**2.1.2. 叶脉图案** 植物叶片中观察到的分层维管网络代表了进化上的生物传输系统，它们在最大化流体分布效率的同时最小化了能量损耗[73]、[74]。从结构角度来看，它们的分叉模式协同实现了表面积的扩展和流体阻力的降低。因此，将这些生物设计原理转化为AZIBs电极架构，可以构建多尺度导电网络，同时增加比表面积并降低离子传输阻力[75]。最近，一种受叶脉启发的策略被用于制造透明导电电极[76]，其中类似叶脉的架构实现了超过6000 A cm−2的优异电流传输性能，这归功于金属化的叶脉网络。此外，这些电极的片状电阻远低于最先进的氧化铟锡薄膜。这些类似叶脉的电极的卓越电流传输能力表明它们在包括高功率密度聚光光伏、轻量化锂离子电池和超级电容器在内的广泛应用中具有巨大潜力。在电荷传输行为方面，这种维管仿生策略还表现出优异的电荷传输动力学，从而同时提高了面积容量和倍率性能，同时保持了AZIBs所需的足够机械完整性。
2.3.2 稳态调节 通过模仿生物体中的稳态机制来开发自我调节的电解质和电极是AZIB技术的重要进展[120]、[121]、[122]、[123]、[124]。这种方法借鉴了生物系统的原理来维持稳定的电化学条件，从而提高了电池性能和寿命。例如，受生物pH调节系统的启发，引入pH敏感添加剂或仿生分子可以帮助中和AZIB在循环过程中产生的酸性或碱性条件。Zhu等人[125]提出了一种创新策略，使用L-肉碱（L-car）作为锌阳极的多功能电解质添加剂。通过整合质子调节、pH缓冲和亲锌配位，这种添加剂有效抑制了氢气释放、腐蚀和枝晶形成，同时稳定了Zn离子沉积。这种方法使Zn离子电池的循环稳定性达到了5500小时，并且在3 A g^-1的电流下1000次循环后仍保持了79.2%的容量保留率，展示了L-car在连接仿生机制与电化学工程方面的先锋作用。借鉴生物组织中的自我调节机制，可以设计电极在AZIB中自主调节电极-电解质界面微环境，从而抵消重复充放电循环引起的环境波动。这种方法抑制了有害的副反应，提高了电池的稳定性和循环寿命[126]。
**表1. 不同仿生策略改性的锂硫电池性能比较。** | 策略 | 材料 | 自然目标 | 测试条件 | 仿生前性能 | 仿生后性能 | |------------|------------|--------------|--------------|--------------| | 结构仿生阳极 | 贝壳 | 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼190 h | ∼1000 h | | 结构仿生阳极 | 珍珠 | 20 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼161 h | ∼580 h | | 结构仿生阳极 | 皮肤-毛细结构 | 5 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼200 h | ∼1650 h | | 结构仿生阳极 | 蜂巢 | 0.25 mA cm−2, 0.25 mAh cm−2 | ∼400 h | ∼2000 h | | 结构仿生阴极 | 菌丝状核壳 | 1 A g−1 | - | ∼500 cycles | | 结构仿生阴极 | 毛细结构 | 10 A g−1 | - | ∼8000 cycles | | 材料仿生电解质 | 玻璃冷冻机制 | 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | - | ∼2000 h | | 材料仿生电解质 | 螯合行为 | 2 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼200 h | ∼3000 h | | 材料仿生电解质 | 植物细胞 | 5 mA cm−2, 2 mAh cm−2 | ∼350 h | ∼2400 h | | 材料仿生电解质 | 细胞外多糖 | 10 mA cm−2, 2 mAh cm−2 | ∼30 h | ∼3100 h | | 材料仿生电解质 | 氨基酸链 | 1 mA cm−2, 0.5 mAh cm−2 | ∼370 h | ∼2000 h | | 材料仿生电解质 | 自识别机制 | 1 mA cm−2, 0.25 mAh cm−2 | ∼200 h | ∼9000 h | | 材料仿生电解质 | 离子泵接口 | 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼3000 h | ∼6000 h | | 材料仿生电解质 | 自保护机制 | 5 mA cm−2, 2.5 mAh cm−2 | ∼140 h | ∼1300 h | | 材料仿生电解质 | 耐腐蚀植物 | 0.2 mA cm−2, 0.2 mAh cm−2 | ∼400 h | ∼5600 h | | 材料仿生电解质 | 骨 | 15 mA cm−2, 30 mAh cm−2 | ∼100 h | ∼2000 h | | 材料仿生阳极 | 选择性响应筛选机制 | 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼120 h | ∼2860 h | | 材料仿生阳极 | 海藻 | 0.5 mA cm−2, 0.5 mAh cm−2 | ∼30 h | ∼1000 h | | 材料仿生阳极 | 纤维素 | 10 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼200 h | ∼8000 h | | 材料仿生阴极 | 瓜尔胶 | 0.5 A g−1 | ∼600 cycles | ∼1000 cycles | | 材料仿生阴极 | 贻贝 | 2 A g−1 | ∼3000 cycles | ∼3500 cycles | | 功能仿生电解质 | 细胞膜 | 1 mA cm−2, 2 mAh cm−2 | ∼1300 h | ∼1600 h | | 功能仿生阳极 | 贻贝粘附蛋白 | 0.5 mA cm−2, 0.5 mAh cm−2 | ∼110 h | ∼1800 h | | 功能仿生阳极 | 莲花 | 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼260 h | ∼2000 h | | 功能仿生阳极 | 超分子柱状结构 | 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼120 h | ∼1000 h | | 功能仿生阳极 | 血浆膜 | 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼55 h | ∼1680 h | | 功能仿生阳极 | 血浆膜 | 5 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼550 h | ∼2500 h | | 功能仿生阳极 | 生物矿化过程 | 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2 | ∼500 h | ∼3000 h | | 功能仿生阴极 | KcsA通道离子筛选机制 | 1 mA cm−2, 2 mAh cm−2 | ∼1000 h | ∼6000 h | | 功能仿生阴极 | 血浆膜 | 1 A g−1 | - | ∼500 cycles | | 功能仿生阴极 | 生物氢键网络 | 20 A g−1 | - | ∼1000 cycles |
**3.1. 结构仿生** 结构仿生作为一门融合生物学和材料科学的跨学科领域，是生物进化与技术创新之间的重要桥梁。通过系统地模仿自然的结构原理，研究人员可以在不同的科学领域解决锂硫电池的紧迫挑战。这种仿生方法不仅通过复制自然界中进化出的结构特性，实现了锂硫电池在性能、可持续性和可扩展性方面的突破，还促进了电化学能源技术与环境可持续性的兼容性。为了解决锌枝晶形成的问题，张等人[139]提出了一种原位电聚合策略，将无机导电层状MXene与有机聚丙烯酸钠（PAAS）结合，在锌阳极上构建了一个多功能有机-无机混合界面层（MX/PAAS@Zn）（图5a）。MX/PAAS@Zn阳极具有受珍珠“砖-砂浆”结构启发的有机-无机混合结构，表现出稳定的机械性能。得益于这种独特的有机-无机协同作用，锌枝晶的生长得到了有效抑制。此外，使用MX/PAAS@Zn阳极组装的对称电池在1 mA cm−2的电流下实现了高Zn2+转移数（tZn2+=0.80）和1000小时的优异循环稳定性（图5b）。这种方法为稳定水基金属离子阳极提供了一种广泛适用的方法，同时解决了枝晶、腐蚀和氢气析出的问题。受珍珠坚固“砖-砂浆”结构的启发，李等人[140]设计了一种使用二维介孔多巴胺（PDA）片层的仿生超结构SEI（图5c, d）。通过表面−OH和−NH基团的增强，机械强度（4.69 GPa）和离子导电性（40.6 mS cm−1）得到提升，加速了Zn2+的脱溶并均匀了离子流（图5e, f），从而实现了无枝晶沉积（35 mV成核电位，1500循环后容量保持率99.8%）。这一策略有效解决了机械-离子之间的权衡问题，为稳定的锂硫电池提供了通用的界面设计原则。为了解决锌粉（Zn-P）阳极的界面不稳定性和Zn2+扩散动力学缓慢的问题，刘等人[141]设计了一种具有全链离子-电子导电网络（ZnP-FC）的仿生准皮肤-毛细结构锌-P阳极，通过将芳纶纳米纤维（ANF）表皮涂层与交织的毛细结构骨架结合（图5g）。ANF表皮通过均匀Zn2+流并阻挡H2O来稳定阳极/电解质界面，而毛细骨架提高了Zn2+的选择性，优化了电镀/剥离效率。此外，这种双功能设计推进了锌阳极的结构工程，实现了卓越的循环性能（5 mA cm−2下1650小时）和高倍率性能（15 A g−1下6000循环）。这项工作为在锂硫电池中构建高效的离子/电子传导路径提供了有力策略。
段等人[142]通过机械-电化学处理开发了一种拓扑优化的仿生蜂窝锌阳极（BH-Zn），通过受生物启发的结构设计实现了多物理场调节（图6a）。由于其均匀的蜂窝结构，BH-Zn阳极在30 mA cm−2的电流下实现了超过2000小时的耐用循环稳定性和热稳定性，同时将电压极化降低到41.5 mV，几乎是平面锌（88.9 mV）的一半（图6b）。此外，使用BH-Zn阳极组装的柔性锂硫电池表现出优异的电化学稳定性，实现了可靠的脉冲检测健康监测功能。这种设计为可定制的金属电极提供了新策略，并突显了可扩展金属阳极工程在实用可穿戴系统中的潜力。
**下载：** 下载高分辨率图像（618KB） **下载：** 下载全尺寸图像 **图6. 用于电化学调节的仿生多孔结构。** (a) 三维天然蜂窝框架。 (b) 1 mA cm−2, 1 mAh cm−2下的锌电镀和剥离曲线图。经许可复制自[142]。版权2023，Wiley-VCH。 (c) Cu9S5@HACel-5复合材料的SEM图像。经许可复制自[143]。版权2024，Wiley-VCH。 (d) ZIHCs的配置。经许可复制自[144]。版权2025，Wiley-VCH。
冉等人[143]通过原位相变方法合成了由硫化铜和非晶碳组成的新型锌阳极，具有类似菌丝的核心-壳结构，模仿真菌菌丝形态来设计高稳定性的锂硫电池（图6c）。纳米限定的Cu9S5核心和导电碳壳协同增强了Zn2+的存储动力学（0.1 A g−1下250.2 mAh g−1），同时抑制了体积膨胀，在全电池中5000循环后仍保持61%的容量。这种受生物启发的结构设计解决了基于铜的电极的内在不稳定性，并为高倍率储能系统中的过渡金属化合物提供了可扩展的设计原则。何等人[144]提出了一种简便的协调-热解方法来制备毛细结构薄壁碳纳米纤维（CNFs）（图6d）。精确设计的孔径大小对[Zn(H2O)6]2+的溶剂化结构表现出优异的适应性，确保了短的离子传输路径和132.8 Wh kg−1的高能量密度。此外，类似毛细结构的空心CNFs优化了孔结构和表面羰基，使得在10 A g−1下循环寿命达到8000小时。这种受生物启发的孔表面工程克服了碳材料在锂硫电池中的局限性，通过微结构和电化学行为的协同调节提供了高容量离子存储系统的可扩展策略。因此，结构仿生为克服锂硫电池的性能瓶颈提供了新的途径。通过将复杂的自然结构（如菌丝网络和动物骨骼启发结构）纳入电极设计，这种策略可以在循环寿命、能量密度和放电容量方面超越传统的材料设计方法。
**3.2.1. 电解质材料仿生** 魏等人[145]报道了一种受生物启发的“锚捕获”策略，用于获得两性离子网络固态电解质，通过整合脯氨酸作为冷冻保护剂来模拟生物玻璃化过程（图7a）。脯氨酸中的氨基/羧基通过抑制H2O分解和枝晶生长稳定了锌阳极界面，在Zn-Mn2O3全电池中实现了99.4%的容量保持率，以及在−35°C下的优异放电比容量175.2 mAh g−1。这种仿生界面调控为设计用于低温锌离子电池（AZIBs）的多功能电解质引入了一种新范式，同时在低温生物学原理与先进储能技术之间建立了有意义的联系。为了提出一种稳定锌阳极的有效策略，Li及其同事[146]开发了一种仿生方法，将氨基酸（谷氨酸/天冬氨酸）引入电解质中，这一方法受到了生物金属螯合机制的启发（图7b）。这些添加剂通过优先配位和形成保护性吸附层来重构Zn²⁺的溶剂化壳层。结果，Zn与水之间的直接相互作用显著减少，从而抑制了各种由水引起的副反应并抑制了锌枝晶的生长（图7c）。此外，使用这些添加剂后，锌阳极在2 mA cm⁻²的电流下实现了超过3200小时的长时间寿命，并且全电池性能优异。这项工作为AZIBs中的界面工程建立了一种基于生物启发的螯合作用化学效应，将自然离子调控原理与先进储能系统联系起来。
Fu等人[148]开发了一种受生物启发的低温保护电解质添加剂，使用季铵化半乳甘露聚糖（q-GPA），模仿了嗜冷生物中多糖的防冻机制（图8c）。q-GPA重构了氢键网络，抑制了-30°C下的冰核形成，同时其季铵基团中和了界面电场，使得锌的沉积无枝晶。结果，Zn||Zn对称电池在3 mA cm⁻²的电流下实现了1700小时的稳定运行，而Zn||NaV₆O₁₆·1.5H₂O（NVO）全电池在5000次循环后仍保持了99.2%的容量保持率。这项工作将生物防冻机制与电化学界面工程相结合，推动了AZIBs的低温应用。
Li及其同事[151]通过在锌阳极上动态组装乙酰化蛋白（α-HPace）来设计了一种仿生离子泵界面，从而模仿了生物转运蛋白的Zn²⁺识别机制。这种混合界面包含–CONH–基团（飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）证实了Zn²⁺通道的存在），以及ZnF₂/ZnS屏障层，实现了91%（100%）无枝晶沉积，Zn||Zn电池在5000次循环后仍保持6000小时的循环性能和92%的容量保持率（5 A g⁻¹）。这项工作建立了一种仿生离子传输架构，实现了AZIBs中快速动力学与界面稳定性的平衡。
Guan等人[153]开发了一种使用富含羟基的添加剂（如α-D-葡萄糖）的仿生电解质策略，模仿植物的耐寒特性以实现低温AZIBs（图10b）。该添加剂通过置换H₂O分子重构了Zn²⁺的溶剂化壳层，并在阳极表面形成了耐腐蚀的保护层，使得Zn||Zn电池在-25°C和5 mA cm⁻²的电流下实现了2000小时的循环，并且全电池在-50°C下实现了10000次的稳定运行。这种仿生方法将植物来源的低温保护策略与界面和溶剂化工程相结合，为极端条件下的储能系统提供了可扩展的解决方案。
Cheng等人[157]采用了一种受生物启发的分子链重排策略，在锌阳极上工程化了一种基于再生纤维素（RC）的人工界面，协同优化了其结构-表面化学性质。RC界面具有扩展的非晶域和暴露的羟基，均匀化了Zn²⁺流速，实现了无枝晶沉积，同时屏蔽了水分子和阴离子，从而抑制了H₂的释放和腐蚀。此外，在10 mA cm⁻²的电流下，全电池在10000次循环后仍保持了8000小时的循环稳定性和84.6%的容量保持率（低N/P=1.6）。这项工作提出了一种仿生界面策略，整合了离子流速均匀化、机械强度和化学稳定性，为深度循环的金属阳极提供了新的方法。
在高负载的AZIBs中，阴极通常会经历明显的结构降解和机械稳定性不足，这两者都会严重损害循环性能。因此，Liu等人[158]提出了一种综合策略，通过原位双阳离子交联构建了基于瓜尔胶的仿生粘合剂与BiOBr@BiOIO₃异质结构（图12a）。这种异质结构通过界面氧共享促进了更快的反应动力学和更好的结构稳定性，而仿生的瓜尔胶网络提供了强大的粘附力和坚固的机械支撑（图12b）。这些特性共同实现了20.02 mAh cm⁻²的超高面积容量和准Ah级（0.244 Ah）袋式电池的稳定运行。这项工作强调了功能性仿生粘合剂在稳定高负载AZIBs阳极中的重要作用，并为高能量密度水基储能设备提供了实用途径。然而，MnO₂阴极在AZIBs中的实际应用仍受到结构崩塌和界面不稳定性的严重限制，主要是由于保护涂层与活性材料之间的粘附力较弱。
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图12. (a) 涉及GG和M2⁺的双重交联网络示意图。(b) BiOBr@BiOIO₃上GG的电荷密度差异（蓝色：耗尽，黄色：积累）。经许可复制自[158]。版权所有 2025，Wiley-VCH。（c）受贻贝启发的PDA涂层在MnO2阴极上的示意图，用于提高AZIB性能。经许可复制自[159]。版权所有 2025，英国皇家化学学会。受贻贝强健的湿粘附性能的启发，Li及其同事[159]将多巴胺（PDA）层原位聚合到MnO2纳米棒上，形成了PDA涂层的MnO2（PDMO）复合电极。这种仿生PDA涂层具有强大的粘附性、丰富的亲锌基团和定制的疏水性，有效稳定了阴极结构，促进了Zn2+的脱溶和迁移，并抑制了寄生水反应（图12c）。因此，PDMO电极表现出出色的电化学性能，在4 A g−1电流下具有高倍率能力（125 mAh g−1），并在2 A g−1电流下经过3500次循环后仍保持157 mAh g−1的容量。这项研究表明，受贻贝启发的PDA涂层是一种有效的仿生策略，可以增强阴极的完整性并促进电化学动力学，为高性能Mn基阴极的合理设计提供了宝贵的见解。显然，材料仿生学在提高AZIB性能方面具有巨大潜力。与传统材料相比，它赋予电极和电解质更高的结构稳定性和更高效的离子传输能力。因此，这种方法为开发安全、可持续的AZIB提供了显著优势，这些AZIB同时具备高能量密度、高放电容量和长循环寿命。
3.3.1. 阴极的功能性仿生学 对生物界面化学的精确调控为保护Zn阴极提供了重要基础。受细胞膜磷脂双层的启发，Wang等人[160]开发了一种仿生的两亲性全氟（2-乙氧基乙烷）磺酸锌（Zn(PES)2电解质，用于原位构建保护阴极的脂质双层和氟化SEI，模仿细胞膜的自组装。双层的疏水区域减少了H2O与Zn的接触，而亲水通道则促进了Zn2+的快速扩散，在对称电池中实现了无枝晶的Zn沉积（在1 mA cm−2/2 mAh cm−2电流下超过1600小时），并在硫化钒（VS2）@不锈钢（SS）全电池中经过1000次循环后仍保持78%的容量。这种策略引入了一种仿生界面工程方法，用于高面积容量的AZIB，结合了电解质设计和可持续的SEI形成（图13a）。为了对抗Zn阴极涂层中的界面失效，Shen的团队[161]设计了一种原位PDA沉积方法。该技术概念受到海洋生物附着能力的启发，具体通过Cu2+协调的聚合动力学实现，模仿了贻贝蛋白质的结合行为。这种仿生PDA层增强了界面亲锌性并加速了脱溶动力学，从而抑制了枝晶生长和寄生反应（如氢气的释放）。结果，在5 mA cm−2/5 mAh cm−2电流下实现了840小时的无枝晶Zn沉积，在0.5 mA cm−2电流下实现了1800小时的沉积。这项工作开创了一种可扩展的仿生界面设计，提供了一种低成本、快速制造的方法，用于稳定高容量的Zn阴极，适用于实际的AZIB（图13b）。
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图13. 多源仿生策略用于界面工程和Zn沉积控制。（a）基于Zn(PES)2电解质的电化学循环过程中保护性中间相形成机制的示意图。经许可复制自[160]。版权所有 2022，Wiley-VCH。（b）通过贻贝衍生的仿生PDA界面层调节Zn2+沉积的机制示意图。经许可复制自[161]。版权所有 2025，Elsevier。（c）受莲叶效应启发的疏水表面工程策略，通过提高表面粗糙度和降低表面能的协同整合实现。（d）在裸露的Zn和SA-Cu@Zn阳极上初始和重复循环过程中的剥离/沉积演变示意图。经许可复制自[162]。版权所有 2024，Wiley-VCH。 残留的界面水会加剧HER和腐蚀，而莲叶的超疏水性为构建仿生疏水屏障提供了重要灵感。Li等人[162]模仿莲叶效应，通过原位整合Cu纳米棒阵列和衍生自硬脂酸的有机金属层，设计了一种疏水-亲锌的硬脂酸（SA）改性的Cu@Zn（SA-Cu@Zn）阳极。这种仿生界面减少了H2O的吸附，同时增强了Zn2+的通量调节，在对称电池中实现了2000小时无枝晶循环（1 mA cm−2/1 mAh cm−2）和99.83%的库仑效率（CE）。这项工作提出了一种广泛适用的仿生策略，将AZIB中的界面疏水性与离子传输分离，从而同时解决了枝晶生长和寄生界面反应问题（图13c, d）。 同样，Tao及其同事[163]通过物理气相沉积（PVD）设计了仿生的超分子柱状结构（BSPAs），模仿自然自组装，创建了一个超疏水的SEI层（水接触角：160.4°），并具有有序的亲锌通道（活化能：34.91 kJ mol−1）。这种修饰通过加速脱溶动力学促进了无枝晶的Zn沉积，使对称电池在1 mA cm−2/1 mAh cm−2电流下稳定运行1000小时，全电池在5 A g−1电流下经过600次循环后仍保持50%的容量。此外，这项工作表明超分子自组装是一种可扩展的方法，用于将AZIB中的水吸附与离子传输分离（图14a）。生物膜中离子通道的有效筛选功能启发了共价/金属有机框架（COF/MOF）材料的仿生设计，Li等人[164]开发了一种受质膜启发的基于Zr的MOF（UiO-66，奥斯陆大学-66），其孔结构经过定制，然后外置于Zn阳极上以模拟选择性离子渗透（图14b）。通过24小时的溶剂热过程制备的UiO-66（称为UO-24）显示出最有利的光学反应动力学，使其成为稳定Zn阳极的合适候选材料。这种仿生修饰通过加速水合Zn2+的脱溶并抑制水诱导的副反应，提高了库仑效率，达到了99.3%，并在600次循环后保持了稳定的Zn||Zn对称电池操作。这项工作展示了仿生MOF基界面工程在AZIB中的潜力，利用了离子选择性纳米通道和质膜启发的稳定机制（图14c）。
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图14. 用于Zn2+脱溶和沉积控制的仿生自组装界面。（a）示意图展示了大规模自组装的BSPAs作为生物界面层，通过增强Zn2+脱溶来稳定Zn金属阳极。经许可复制自[163]。版权所有 2025，Elsevier。（b）人工层的设计理念和工作原理：从自然原型到功能应用。（c）原始Zn和Zn@UO−24电极在1 mA cm−2和1 mAh cm−2电流下的CE测试及相应的电压曲线。经许可复制自[164]。版权所有 2024，Wiley-VCH。 同时，Sun及其同事[165]采用了一种受离子泵启发的策略，设计了一种具有亲锌吡啶-N基团和仿生纳米通道的3D COF-320N膜，模仿生物质膜的功能。这种膜通过排斥自由水来修改Zn阳极-电解质界面，加速了Zn2+的脱溶（传递数：0.61），并实现了无枝晶的Zn（002）沉积，在对称电池中实现了2500小时的延长寿命（5 mA cm−2），以及在Zn||Cu电池中实现了99.79%的容量。这项工作开创了基于仿生COF的界面工程，解决了AZIB中的水诱导降解问题，同时促进了具有高能量密度的高性能储能系统（图15a）。受生物矿化过程中无机矿物在多孔有机基质中受控成核和生长的启发，Sun等人[166]在Zn阳极上构建了一种基于多巴胺的N掺杂碳球SEI层，模仿了生物系统中有机基质调控的成核。这种仿生SEI具有亲锌的N位点和多孔结构，将Zn2+的成核过电位降低到28.8 mV（0.5 mA cm−2），在5 mA cm−2电流下实现了2100小时的无枝晶循环，并在V2O5||Zn@C全电池中经过1000次循环后仍保持95%的容量，同时有效抑制了腐蚀和HER。这项工作提出了一种仿生界面工程方法，用于柔性Zn离子电池，将仿生材料设计转化为实用的可穿戴储能系统（图15b）。
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图15. 用于人工界面和离子传输控制的仿生功能结构。（a）示意图展示了基于COF的人工界面层（AIL）在Zn阳极稳定系统中的设计策略。经许可复制自[165]。版权所有 2025，Wiley-VCH。（b）人工层的设计理念和工作原理：从自然原型到功能应用。（c）原始Zn和Zn@UO−24电极在1 mA cm−2和1 mAh cm−2电流下的CE测试及相应的电压曲线。经许可复制自[164]。版权所有 2024，Wiley-VCH。 同时，Sun及其同事[165]采用了一种受离子泵启发的策略，设计了一种具有亲锌吡啶-N基团和仿生纳米通道的3D COF-320N膜，模仿生物质膜的功能。这种膜通过排斥自由水来修改Zn阳极-电解质界面，加速了Zn2+的脱溶（传递数：0.61），并实现了无枝晶的Zn（002）沉积，在对称电池中实现了2500小时的延长寿命（5 mA cm−2），以及在Zn||Cu电池中实现了99.79%的容量。这项工作开创了基于仿生COF的界面工程，解决了AZIB中的水诱导降解问题，同时促进了具有高能量密度的高性能储能系统（图15a）。受生物矿化过程中无机矿物在多孔有机基质中受控成核和生长的启发，Sun等人[166]在Zn阳极上构建了一种基于多巴胺的N掺杂碳球SEI层，模仿了生物系统中有机基质调控的成核。这种仿生SEI具有亲锌的N位点和多孔结构，将Zn2+的成核过电位降低到28.8 mV（0.5 mA cm−2），在5 mA cm−2电流下实现了2100小时的无枝晶循环，并在V2O5||Zn@C全电池中经过1000次循环后仍保持95%的容量，同时有效抑制了腐蚀和HER。这项工作提出了一种仿生界面工程方法，用于柔性Zn离子电池，将仿生材料设计转化为实用的可穿戴储能系统（图15b）。
3.3.2. 阴极的功能性仿生学 AZIB的电化学稳定性受到缓慢的界面反应动力学和严重的阴极溶解的严重阻碍，这些现象源于水合Zn2+的脱溶和持续的水吸附/脱附。受生物细胞两亲性质膜的启发，Li等人[168]将疏水且导电的聚（3,4-乙二氧噻吩）（PEDOT）薄膜电化学锚定在α-MnO2阴极上，以调节离子传输和界面润湿性（图16a）。这种仿生薄膜选择性地促进了Zn2+的迁移，降低了脱溶能量障碍，增强了电导率，并抑制了水诱导的结构变形，从而提高了循环稳定性（在0.2 A g−1电流下经过100次循环后为243.3 mAh g–1；在1 A g−1电流下经过500次循环后为152.1 mAh g–1），并提高了倍率能力（在3 A g−1电流下为171.8 mAh g–1）（图16b）。通过模仿生物膜的两亲性和离子选择性特征，这种仿生层加速了Zn2+的脱溶和电荷转移，抑制了水诱导的阴极溶解，从而提高了阴极的利用率。结果，AZIB实现了545.8 Wh kg–1的高能量密度，并在高功率密度下仍保持了282.4 Wh kg–1的容量。这些结果表明，受质膜启发的功能薄膜为加速界面动力学和减轻阴极降解提供了有效途径，为推进高性能AZIB提供了广泛适用的策略。
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图16. （a）仿生设计策略的示意图和疏水阴极膜的形成。经许可复制自[168]。版权所有 2022，Wiley-VCH。（b）AZIBs的全电池结构图。（c）小分子有机阴极的仿生设计示意图。经许可复制自[169]。版权所有 2022，英国皇家化学学会。 AZIB中的有机小分子阴极在循环过程中容易发生严重溶解和结构不稳定，导致容量迅速衰减和长期耐久性差。受蛋白质中自然稳定机制的启发，Kaveevivitchai及其同事[169]开发了一种六氮三蒽（HATAQ）阴极，利用在水性质子源存在下形成的瞬态乙烯酰胺氢键网络（图16c）。这种仿生氢键机制稳定了放电后的结构，促进了质子传输，并增强了电子导电性，使HATAQ在20 A g–1电流下经过1000次稳定循环后实现了199 mAh g–1的出色倍率性能。这种仿生策略增强了阴极框架并促进了快速的质子传输，从而提高了AZIB的电荷存储动力学，将其能量密度提高到344 Wh kg–1，同时实现了50 mA g–1电流下的高比容量492 mAh g–1。这些结果表明，基于质子的氢键网络为提高AZIB中有机阴极的稳定性和电化学性能提供了强大的仿生策略，同时也为下一代水基储能中的有机电极提供了广泛适用的设计原则。
