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近年來，“碳中和”和“綠色發展”的理念使人們更加關注師法自然。仿生技術是工程技術與生物科學相結合的交叉學科，通過對各種生物系統所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究，最后實現新的技術設計并制造出更好的新型器件、裝備、機械等。北京理工大學材料學院陳人杰教授、吳鋒院士課題組聚焦可用于二次電池中的仿生材料、仿生技術和仿生理念開展了系列探索研究工作，近日，以“Learning from nature: Biomimicry in secondary batteries”為題在國際頂級期刊《Materials Today》（影響因子：21.1）上受邀發表綜述文章。北京理工大學陳人杰教授、黃永鑫副教授為論文的共同通訊作者，博士生張寧為論文的第一作者。

電化學儲能與轉換系統以其可再生、壽命長、成本低、易存儲等優點而受到廣泛關注。特別是近年來，其與環境的可持續性以及結構和功能的智能集成的相關性越發緊密。仿生技術的多樣性、創新性和可操作性不僅使材料提取、器件裝配和運輸過程綠色化，而且賦予電池系統更為優越的電化學性能、安全性、適應性和多功能性。鑒于此，課題組以仿生學在二次電池中的應用為主題，全面介紹了相關概念、核心技術和研究現狀，并通過類比二次電池系統和生物元素，系統闡述了仿生學在二次電池中的應用價值和運行機制。

圖1：(a) 不同尺度的生物元素應用于二次電池材料研究；(b)生物材料在二次電池中的作用機制

圖2：電池器件和管理系統的仿生設計研究

課題組從生物學的角度出發，通過將二次電池系統中存在的問題與生物系統解決類似問題的措施進行分析，提出了電池理化性能和安全性的優化機制。包括優化電池材料的組成和控制微觀結構、集成和開發功能化電池器件及優化電池管理輔助系統的設計。同時，課題組還基于準二維模型（Pseudo Two-Dimensional Model，P2D模型），闡明了仿生材料影響電池性能的內在機理，并系統總結了仿生材料和仿生概念在二次電池中的應用方法，提出了仿生技術在電池全生命周期中的應用挑戰。結合到清潔能源裝備的發展需求和電池研究學科的綜合發展，課題組提出了二次電池智能化、輕量化、低成本、綠色化的未來技術發展方向。

圖3：二次電池仿生技術的未來發展方向

生物多樣性帶來的材料-結構-功能多樣性可以為二次電池的發展提供新的啟發。與傳統材料相比，生物元素具有環境友好性、可再生性、可設計性、適應性和兼容性等獨特優勢，對推進電池領域的變革發展具有重要科學意義。以化學工程、材料學、仿生學、環境科學、能源工程、計算機科學等學科融合為基礎，可以構建綠色電池，實現電池材料包括開采生產、組裝運輸、回收處置在內的全生命周期安全、環保、可持續發展；實現電池智能化（機器學習和智能電池管理系統）、結構化（高能量密度材料、輕質和堅固的外部支撐材料）和低成本化（可再生資源、集成設計）發展。

課題組近期在二次電池仿生研究方面的部分代表性工作如下：

1. Smart batteries for powering the future[J]. Joule, 2024, 8(2): 344-373. DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.011. （IF="""38.6，第一作者：孟倩倩博士生）（借鑒生物系統的感知、響應與決策一體化機制，實現具備感傳控決功能的智能電池的構建、集成和應用）

2. Advanced High Energy Density Secondary Batteries with Multi‐Electron Reaction Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2024, 34(52): 2410948. DOI: 10.1002/adfm.202410948. （IF="""18.5，第一作者：張伯燾碩士生/高圣鈺碩士生）（借鑒生物系統的高效能量轉換和存儲的原理，突破二次電池高比能策略中的多電子儲能機制，實現更高效的電子傳輸和能量存儲）

3. Super‐Ionic Conductor Soft Filler Promotes Li⁺ Transport in Integrated Cathode–Electrolyte for Solid‐State Battery at Room Temperature[J]. Advanced Materials, 2024, 36(27): 2403078. DOI: 10.1002/adma.202403078. （IF="""27.4，第一作者：楊斌斌博士生）（借鑒生物系統的高效傳質通道和協同作用機制，實現聚合物電解質離子電導性和高機械性能的良好兼容）

4. Li₂MoO₄ Tailored Anion‐enhanced Solvation Sheath Layer Promotes Solution‐phase Mediated Li‐O₂ Batteries[J]. Angewandte Chemie, 2024, 136(52): e202412035. DOI: 10.1002/ange.202412035. （IF="""16.6，第一作者：張鳳玲博士生）（借鑒生物體通過構建保護性屏障抵御外界侵蝕的策略，實現構筑保護殼層的方案改善鋰金屬體系電池中的侵蝕和腐蝕問題）

5. Amphipathic Phenylalanine-Induced Nucleophilic–Hydrophobic Interface Toward Highly Reversible Zn Anode[J]. Nano-Micro Letters, 2024, 16(1): 164. DOI: 10.1007/s40820-024-01380-x. （IF="""31.6，第一作者：周安彬博士生）（借鑒生物分子苯丙氨酸的反應特性，通過引入鋅離子電池電解質中作為功能添加劑，實現鋅陽極可逆性的提高，緩解枝晶生長和界面副反應）

6. Dual mechanism with graded energy storage in long-term aqueous zinc-ion batteries achieved using a polymer/vanadium dioxide cathode[J]. Energy & Environmental Science, 2024, 17(18): 6666-6675. DOI: 10.1039/D4EE02557A. （IF="""32.4，第一作者：宋志航碩士生）（借鑒生物體分系統多功能協同機制，實現二次電池分級儲能的雙重機制）

7. Dynamic Covalent Bonds Regulate Zinc Plating/Stripping Behaviors for High‐Performance Zinc Ion Batteries[J]. Angewandte Chemie, 2024, 136(31): e202406597. DOI: 10.1002/ange.202406597. （IF="""16.6，第一作者：郭亞飛碩士生）（借鑒生物組織動態自適應調節和結構重組特性，研制具有自我增韌并修復損傷功能的新材料，實現離子穩定的沉積/剝離和電池循環性的提升）

8. Facilitating oriented dense deposition: utilizing crystal plane end‐capping reagent to construct dendrite‐free and highly corrosion‐resistant (100) crystal plane zinc anode[J]. Advanced Materials, 2024, 36(41): 2407145. DOI: 10.1002/adma.202407145. （IF="""27.4，第一作者：王輝榮博士生）（借鑒生物體界面自適應保護機制，構建電極界面疏水外殼或定向結構來抵御外界侵蝕，實現鋅離子電池中離子沉積和成核生長過程的穩定調控）

9. Bipolar Polymeric Protective Layer for Dendrite‐Free and Corrosion‐Resistant Lithium Metal Anode in Ethylene Carbonate Electrolyte[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2024, 63(17): e202400619. DOI: 10.1002/anie.202400619. （(IF="""16.6，第一作者：鄧成龍博士后）（借鑒生物細胞膜通過特異性分子識別和界面相互作用來控制離子傳輸并防止外界侵蝕的原理，實現鋰金屬二次電池中陰離子的選擇捕獲和陽離子的快速遷移）

10. Self‐Induced Dual‐Layered Solid Electrolyte Interphase with High Toughness and High Ionic Conductivity for Ultra‐Stable Lithium Metal Batteries[J]. Advanced Materials, 2024, 36(4): 2303710. DOI: 10.1002/adma.202303710. （IF="""27.4，第一作者：胡昕博士生）（借鑒生物屏障結構的分層防護機制，通過構筑內層機械強度優、外層相容穩定強的電極電解液界面層，實現鋰金屬二次電池循環穩定性的有效提升）

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.11.009

附作者簡介：

張 寧，北京理工大學2023級博士研究生，師從陳人杰教授，研究方向為功能化電源與智能材料設計。

黃永鑫，北京理工大學副教授，博士生導師。入選中科協青年人才托舉工程。主要從事高比能二次電池關鍵材料、電化學原位表征與理論模擬技術、新體系儲能器件應用開發等科研工作。

陳人杰，北京理工大學教授，博士生導師。國家級領軍人才，入選英國皇家化學學會會士、中國工程前沿杰出青年學者等。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關鍵材料、新型離子液體及功能復合電解質材料、特種電源用新型薄膜材料與結構器件、綠色二次電池資源化再生、智能電池及信息能源融合交叉技術等方面的教學和科研工作。