水系锌离子电池因其安全性高、成本低、环境友好，被认为是大规模储能领域极具潜力的技术路线之一。然而，传统锌箔负极在厚度、成本和加工工艺上的局限，使其难以满足实际应用需求。相较而言，锌粉负极在容量调控与制造兼容性方面具有显著优势，但其在反复沉积/剥离过程中易发生体积变化剧烈、电极结构易失效等问题。作为连接活性物质与集流体的关键界面材料，粘结剂在调控电极力学性能、粘弹性及离子/电子传输行为中发挥着不可忽视的作用。现有商用粘结剂难以同时满足这些需求，限制了锌粉负极性能的进一步提升，亟需通过分子层级设计开发具备多重功能的新型粘结剂体系。

  武汉大学陈朝吉教授&余乐副研究员团队提出一种功能导向的模块化分子设计理念（也即“分子积木”设计理念），以天然丰富、机械强度优异的甲壳素为骨架，采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合方法，合成了一种甲壳素基刷状聚合物粘结剂（Chi-Binder），实现其多种功能模块的集成与定制：甲壳素骨架提供优异的机械强度和丰富的活性位点；苯环结构通过π-π堆叠与导电剂产生相互作用；离子液体基团赋予材料自修复能力和强黏附性；丙烯酸单元能够提升材料的力学柔韧性并促进Zn²⁺的配位传输（图1）。采用该粘结剂制备的锌粉负极在机械稳定性、电化学循环寿命以及高电流密度运行能力方面均表现出明显提升，为高性能锌基电池的开发提供了新思路。

  2026年2月3日，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。本文第一作者为课题组2023级硕士研究生曾宣淯和2023级博士研究生王志强，通讯作者为陈朝吉教授和余乐副研究员，通讯单位为武汉大学。

图1. 功能导向的模块化分子设计理念（也即“分子积木”设计理念）实现甲壳素基粘结剂的功能集成与定制

图2. Chi-Binder在ZnMP电极中的设计理念与应用前景。

  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。系统阐明了Chi-Binder 的设计逻辑与多功能协同机制：甲壳素骨架提供优异的机械强度和丰富的活性位点；苯环结构通过π-π堆积与导电剂产生相互作用；离子液体基团赋予材料自修复能力和强黏附性；丙烯酸单元能够提升材料的力学柔韧性并促进Zn²⁺的配位传输。

图3. Chi-Binder的力学、自修复及粘附性能

  力学测试显示，Chi-Binder具有典型的粘弹性行为，在循环拉伸后能快速恢复模量和韧性，其自修复效率在室温12小时内可达95%以上，在电解液中仍可保持自修复与粘附性。浸泡于电解液后，材料可发生轻微溶胀，由于强烈的 Zn²⁺-羧酸盐配位相互作用，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4. 使用Chi-Binder制备的ZnMP电极的表征

  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、喷涂、丝网印刷等多种工艺。剥离和超声测试表明，Chi-Binder的粘结性能优异，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，在高载量下仍能保持电极完整，抑制锌粉与电解液的直接接触，减少腐蚀和析氢反应。

图5. 锌沉积/溶解行为及其电化学性能

  通过电化学性能测试，验证了Chi-Binder对锌粉电极电化学性能的提升。原位光镜观察发现，Chi-Binder电极在200分钟的锌沉积过程中表面保持平整，无气泡产生；而PVDF-HFP电极则出现不规则沉积并伴有气泡产生。对称电池测试中，Chi-Binder-ZnMP电极在0.5 mA cm^-2/0.5 mAh 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6. Chi-Binder实用性评估

  综上所述，本研究通过模块化分子设计（“分子积木”）策略，构建了一种兼具自修复、高黏附、离子导通与机械适应性的甲壳素基刷状聚合物粘结剂，系统性缓解了锌粉负极在水系电解液中普遍存在的结构失效问题。在上述多重功能协同作用下, Chi-Binder电极在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下的循环寿命提升至约300 圈，平均库伦效率高达99.5%。更重要的是，该研究证明了通过分子层级精细设计粘结剂结构，可以在复杂电极体系中实现多重功能的协同调控，为锌负极乃至其他高体积变化金属负极材料的稳定化提供了一条具有普适意义的高分子设计新路径。

  此研究工作得到了国家自然科学基金（22461142135, 52202288）的资助。同时感谢武汉大学分析测试中心和科研公共服务条件平台对材料表征测试的支持。

  课题组网站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm

  论文信息：

  X. Zeng, Z. Wang, L. Yu, et al. “Function-Oriented Modular Molecular Design of a Chitin-Derived Self-Healable Binder for Promising Zinc Powder Anodes.” Advanced Materials (2026): e19775.

  https://doi.org/10.1002/adma.202519775