中科院苏州纳米所/武汉纺织大学胡沛英教授团队：纤维状水系锌离子电池的构建、性能优化与应用研究进展
引文格式
赵松，王斌昊，黄子熙，等. 纤维状水系锌离子电池的构建、性能优化与应用研究进展[J]. 纺织工程学报, 2026, 4 (1): 37-53.
ZHAO Song, WANG Binhao, HUANG Zixi, et al. Research progress on the construction, performance optimization and application of fiber-shaped aqueous zinc-ion batteries[J]. Journal of Advanced Textile Engineering, 2026, 4 (1): 37-53.
研究背景
可穿戴电子设备正从辅助性电子产品演变为下一代智能交互终端，对储能单元的形态、柔性与安全性提出了更高要求。块状电池与常规柔性薄膜电池难以兼顾穿戴舒适性与服饰集成性。
纤维状电池凭借一维结构优势，可像普通纤维一样织入纺织品中，为构建“能源纤维”与“功能织物”提供了全新路径。其中，纤维状水系锌离子电池（FAZIBs）因高安全性、低成本及环境友好特性备受关注。
鉴于此，武汉纺织大学胡沛英特聘教授团队在《纺织工程学报》发表了题为“纤维状水系锌离子电池的构建、性能优化与应用研究进展”的综述论文，系统梳理了FAZIBs的材料体系、制备工艺、结构设计及功能集成的最新进展，为柔性储能纤维的工程化应用提供理论与实践参考。
图1 FAZIBs 的组成材料、构筑方法、结构特征和功能应用
内容介绍
针对柔性可穿戴设备对高安全、长寿命储能器件的迫切需求，该综述系统阐述了纤维状水系锌离子电池（FAZIBs）的材料体系、制备技术、器件构型与功能集成研究进展。
在材料体系方面，综述重点分析了正负极材料对电化学性能的影响。正极材料主要包括锰基、钒基、普鲁士蓝类似物及有机材料四大类：锰基材料资源丰富、理论容量高，但存在锰溶解和不可逆相变问题；钒基材料层状结构稳定、理论容量达300–400 mAh·g⁻¹，但工作电压较低；普鲁士蓝类似物具有三维开放框架，工作电压高、倍率性能好，但存在结晶水及空位缺陷；有机材料结构设计灵活，但导电性差、易溶于电解液。负极方面，锌金属虽具有820 mAh·g⁻¹的高理论容量，但枝晶生长、析氢和表面腐蚀等问题制约循环寿命，研究者通过表面改性、构建三维锌负极、电解液优化等策略提升其稳定性。
表1 FAZIBs 典型正极材料性能对比
在制备技术层面，综述系统比较了表面涂覆、原位生长与湿法纺丝三类典型策略。表面涂覆工艺简单、成本较低，适用于制备保护层或负载活性物质；原位生长可实现活性材料与基底牢固结合，界面接触电阻小，适合构建复杂纳米结构；湿法纺丝可连续化制备纤维电极，易于实现结构一体化，是规模化生产的核心技术。例如，基于湿法纺丝制备的带芯结构钒基纤维电极极限抗拉强度高达303 MPa，循环134次后比容量仍保持约100 mAh·g⁻¹。
表2 FAZIBs 主要制备技术对比
在器件构型方面，FAZIBs主要分为平行结构、缠绕结构和同轴结构三类。平行结构设计简便，但电极/电解质接触界面有限；缠绕结构可有效增大接触面积，在复杂形变下表现出更优的结构稳定性；同轴结构模拟“三明治”设计，显著缩短离子传输路径，赋予电池更优的机械弯曲稳定性与界面兼容性，在3000次循环后容量保持率仍达93.2%。
图2 (a)不同结构的 FAZIBs 示意图[65];(b)平行结构[69]; (c)缠绕结构[71];(d)同轴结构[74]
在功能集成与应用层面，综述重点介绍了FAZIBs在储能装置、柔性传感器及自供电传感系统中的最新进展。将纤维电池编织为储能织物，实现了可水洗、耐冲击的穿戴式储能，水洗30 min后容量保留率达77.97%；基于多功能水凝胶电解质的锌离子电池成功将储能与传感功能集成于单一器件，在手指弯曲等形变下输出稳定的电阻变化信号；自供电传感系统通过将聚丙烯酸接枝MXene引入水凝胶网络，实现了应变系数2.4、检测范围0%–800%的高灵敏度传感，并成功用于人体运动监测与乒乓球轨迹分析。
图3 (a)将 ZIB 纤维编织成 ZIB 织物,为视障人士的电动障碍物报警装置提供动力; (b) ZIB 织物对阳光、变形、洗涤和压力的耐久性[78];(c)行走监测系统照片及监测电阻曲线; (d)纤维基网状织物实现乒乓球击打点、速度及轨迹的传感功能(图中比例尺为 1 cm[84])
结论展望
尽管纤维状水系锌离子电池(FAZIBs)在柔性可穿戴领域前景广阔,但其从实验室走向规模化应用仍面临一系列交织的材料、器件与系统级挑战。未来的发展亟须从被动改进转向主动设计,通过多维度协同创新跨越这些鸿沟。
当前面临的核心挑战包括：
材料层面的双重矛盾。材料本征性能是首要瓶颈。锌负极存在枝晶不可控生长、析氢等副反应与反复形变下机械稳定性之间的矛盾，高容量正极与长循环稳定性难以兼得，且多数高性能粉体材料与柔性纤维基底适配性差。
纤维器件结构与界面困境。在器件层面,核心矛盾体现为“柔性”与“高载量”的冲突。封装材料在长效阻水、耐机械疲劳与保持透气舒适性之间难以平衡，动态形变下易发生“机械-电化学耦合失效”。
从单根纤维到纺织集成系统的鸿沟。将高性能单根电池纤维转化为实用的纺织集成系统,存在显著鸿沟。将多根纤维电池进行高效可靠串联/并联集成的工艺尚不成熟，面向可穿戴应用的性能评价体系缺失，实验室标准测试无法反映真实穿戴环境下的复杂性能。
未来发展趋势需从被动改进转向主动设计：
材料创新:从被动应用到主动设计。未来材料研发将更具针对性与设计性。负极研究应从简单宿主引入转向锌沉积动力学的精准界面调控，正极应创制具有连续导电网络的聚合物基或一维纳米结构自支撑正极。
器件结构与集成策略的革新。器件设计将向一体化与多功能化演进。发展“全纤维一体化”电池及本征自愈合、可拉伸设计，推动新型封装材料与微系统集成技术结合
新体系、新机理与新范式。发展超越传统Zn²⁺嵌入/脱出反应的双离子、卤离子载体体系，推动“能量-信息一体化纤维”发展，使单一纤维同时具备能量存储与信息感知、处理功能。
图4 纤维状水系锌离子电池面临的问题和发展方向
研究团队
胡沛英,特聘教授,硕士生导师。2025 年获东南大学工学博士学位。2021—2024 年先后在中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所及瑞士联邦材料科学与技术研究所(Empa)开展联合研究。2025 年加入武汉纺织大学任特聘教授。主要从事气凝胶材料的设计与合成及其在能源、环境与个人热管理领域中的应用研究。迄今已发表学术论文 30 余篇,申请发明专利 5 项(其中已授权 3 项),参与国家自然科学基金重大研究计划、中国科学院重点部署课题、江苏省杰出青年基金等项目,并主持国家重点实验室开放课题
