郑州大学孔德志/王烨&新加坡国立大学杨会颖最新AFM丨3D打印与电解液协同增强水系锌钒电池!

水系锌离子电池因安全性高、成本低、环境友好以及锌负极理论容量高，被认为是具有应用潜力的储能体系。然而，有限空间应用对器件面能量密度和结构可定制性提出更高要求，传统电极常面临厚度增加后离子扩散受阻、倍率性能下降和结构稳定性不足等问题。

3D打印为厚电极结构设计提供了新的解决路径。相比常规涂布电极，直接墨水书写可以精确构筑低曲折度、多级孔道和高负载结构，有助于缩短离子扩散路径、提升电解液接触面积，并缓冲充放电过程中的机械应变。

对于钒基正极而言，这种结构设计有望释放其多电子反应和高容量潜力。除正极结构外，锌负极的枝晶生长、腐蚀和副反应也是限制水系锌电池寿命的重要因素。电解液添加剂具有成本低、制备简单和界面调控直接等优势。

该工作将3D打印结构工程与Na₂SO₄电解液添加剂结合，试图同时解决厚电极传输瓶颈和锌负极界面稳定性问题。

近日，郑州大学孔德志、王烨、新加坡国立大学杨会颖在Advanced Functional Materials发表了题为"Rechargeable Aqueous Zinc-Vanadium Batteries With Synergistically Enhanced Performance Enabled by 3D Printing Structure and Electrolyte Additive Engineering"的研究论文，Dezhi Kong为论文第一作者，孔德志、王烨、杨会颖为论文通讯作者。

核心亮点

1. 通过3D打印构筑超厚、低曲折度、分级多孔NVP@C-rGO微晶格正极，显著改善电解液浸润和离子传输。

2. Na₂SO₄添加剂调控ZnSO₄电解液环境，抑制锌枝晶生长并优化锌负极界面稳定性。

3. 4 mm厚3DP Zn-V电池在0.2 mA cm⁻²下实现≈1.80 mAh cm⁻²高面容量，在2.0 mA cm⁻²下仍保持≈0.98 mAh cm⁻²。

4. 电池在2.0 A g⁻¹下循环2000次后容量保持率达≈95.4%，体现出厚电极结构与电解液优化的协同优势。

5. 可穿戴准固态3DP w-QSS Zn-V器件在弯折状态下仍保持稳定电化学性能，并可实现实际供能演示。

📄 全文速览

结构工程和电解液工程是在不改变内在电化学机制的前提下提升水系锌离子电池性能的可行且通用策略。该研究开发了3D打印可充电水系锌-钒电池，实现了快速动力学和长期稳定储能。

具有分级多孔结构和低曲折度的3D打印超厚电极能够协同增强电解液可接近性、降低离子传输阻力并适应电化学应变，从而共同提升动力学性能和循环耐久性。

设计的3DP Zn-V电池厚度为4 mm，在0.2 mA cm⁻²下表现出≈1.80 mAh cm⁻²的高面容量，在2.0 mA cm⁻²下仍具有≈0.98 mAh cm⁻²的优异倍率性能，在2.0 A g⁻¹下循环2000次后容量保持率约为95.4%，并实现≈190.9 Wh kg⁻¹的高能量密度。

值得注意的是，组装的3DP w-QSS Zn-V电池器件在多种弯折状态下仍表现出稳定的电化学性能。该研究为设计稳定转换型正极和优化匹配电解液体系提供了实用而有前景的策略，推动了高性能水系锌离子电池的发展。

📊 图文解读

图1 | 展示3D打印NVP@C-rGO微晶格电极的制备流程、结构构型以及电解液体系工程设计。

研究人员将NVP@C纳米颗粒与GO浆料混合形成NVP@C-GO墨水，并利用其高黏度和剪切变稀特性实现稳定挤出。

随后经过3D打印、冷冻干燥和退火处理，获得孔隙和厚度可控的3DP-NVP@C-rGO电极，为后续高负载水系Zn-V电池提供结构基础。

图2 | 系统表征3DP-NVP@C-rGO微晶格的多孔形貌、组分分布、润湿性、结构可设计性和力学性能。

SEM和TEM结果显示，NVP@C颗粒均匀锚定在rGO纳米片网络中，形成完整分级多孔骨架；HRTEM和元素映射验证了NVP晶格、rGO导电网络及Na、V、O、P、C的均匀分布。

接触角测试表明该复合电极具有优异润湿性，复杂图案打印和压缩测试进一步证明其结构可设计性与机械完整性。

图3 | 比较不同电解液中锌沉积行为和Zn基负极电化学性能，揭示Na₂SO₄添加剂对界面稳定性的调控作用。

在纯2 m ZnSO₄和加入0.1 m Na₂SO₄的混合电解液中，Zn||Zn对称电池表现出不同的剥离/沉积稳定性。原位光学显微观察显示，纯ZnSO₄中锌沉积易形成明显枝晶，而Na₂SO₄存在时锌沉积更均匀。XRD和电化学测试共同表明，Na₂SO₄可调节溶剂化结构并改善Zn电极界面动力学。

图4 | 展示可充电水系3DP Zn-V电池的器件构型、厚度依赖面容量、倍率性能、动力学分析和能量功率表现。

3DP Zn-V电池由3DP NVP@C-rGO正极、Zn@3DP-rGO/CNTs负极和2 m ZnSO₄+0.1 m Na₂SO₄混合电解液组成。不同厚度电池均表现出可观面容量，CV和GCD测试证明其良好倍率性能。

log(i)-log(v)分析得到0.73、0.95和0.92的b值，说明Zn²⁺存储同时受扩散和赝电容过程控制。

图5 | 通过非原位XRD、XPS、原位EIS和机制示意图解析3DP-NVP@C-rGO正极的储能反应机制。

非原位XRD和XPS结果揭示，充放电过程中NaxV₂(PO₄)₃主体结构发生可逆离子嵌入/脱出，并存在Zn²⁺与Na⁺协同参与的储能行为。原位EIS显示，循环过程中溶液电阻保持低水平，表明电解液具有持续高离子电导率。机制分析指出，多孔3D结构、碳包覆和Na₂SO₄添加剂共同支撑高倍率和长寿命。

图6 | 展示3D打印可穿戴准固态Zn-V电池在弯折条件下的电化学性能和实际应用演示。

研究团队进一步构筑3DP w-QSS Zn-V器件，并通过柔性封装和凝胶电解质提升机械适应性。不同弯折状态下的光学照片、CV曲线、恒流充放电和长循环结果显示，器件在形变条件下仍保持稳定输出。实际供能演示和叉指结构器件证明了该策略在可穿戴储能方向的应用潜力。

📝 总结

综上，该工作提出了一种将3D打印结构工程与电解液添加剂工程相结合的策略，用于构筑高性能可充电水系Zn-V电池。

3DP-NVP@C-rGO微晶格正极具有低曲折度、超厚分级多孔结构，能够增强电解液接触、缩短离子扩散路径，并在电化学反应过程中提供应力缓冲，从而提升倍率性能和循环稳定性。

同时，NVP@C颗粒中的分级多孔结构建立了连续离子扩散通道并暴露丰富活性位点，碳包覆层则构筑电子导电网络并保护磷酸盐主体结构。0.1 m Na₂SO₄添加剂的引入不仅通过抑制枝晶生长稳定Zn负极，还促进正极赝电容储能贡献。

受益于上述协同作用，3DP Zn-V电池实现了高面容量、优异倍率能力和长循环寿命；可穿戴准固态器件在弯折状态下仍保持稳定电化学性能，显示出面向柔性水系锌离子储能器件的应用前景。

Rechargeable Aqueous Zinc-Vanadium Batteries With Synergistically Enhanced Performance Enabled by 3D Printing Structure and Electrolyte Additive Engineering,Advanced Functional Materials,2026,DOI:10.1002/adfm.76952