近年来，“碳中和”和“绿色发展”的理念使人们更加关注师法自然。仿生技术是工程技术与生物科学相结合的交叉学科，通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型器件、装备、机械等。北京理工大学材料学院陈人杰教授、吴锋院士课题组聚焦可用于二次电池中的仿生材料、仿生技术和仿生理念开展了系列探索研究工作，近日，以“learning from nature: biomimicry in secondary batteries”为题在国际顶级期刊《materials today》（影响因子：21.1）上受邀发表综述文章。北京理工大学陈人杰教授、黄永鑫副教授为论文的共同通讯作者，博士生张宁为论文的第一作者。
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电化学储能与转换系统以其可再生、寿命长、成本低、易存储等优点而受到广泛关注。特别是近年来，其与环境的可持续性以及结构和功能的智能集成的相关性越发紧密。仿生技术的多样性、创新性和可操作性不仅使材料提取、器件装配和运输过程绿色化，而且赋予电池系统更为优越的电化学性能、安全性、适应性和多功能性。鉴于此，课题组以仿生学在二次电池中的应用为主题，全面介绍了相关概念、核心技术和研究现状，并通过类比二次电池系统和生物元素，系统阐述了仿生学在二次电池中的应用价值和运行机制。
图1：(a) 不同尺度的生物元素应用于二次电池材料研究；(b)生物材料在二次电池中的作用机制
图2：电池器件和管理系统的仿生设计研究
课题组从生物学的角度出发，通过将二次电池系统中存在的问题与生物系统解决类似问题的措施进行分析，提出了电池理化性能和安全性的优化机制。包括优化电池材料的组成和控制微观结构、集成和开发功能化电池器件及优化电池管理辅助系统的设计。同时，课题组还基于准二维模型（Pseudo Two-Dimensional Model，P2D模型），阐明了仿生材料影响电池性能的内在机理，并系统总结了仿生材料和仿生概念在二次电池中的应用方法，提出了仿生技术在电池全生命周期中的应用挑战。结合到清洁能源装备的发展需求和电池研究学科的综合发展，课题组提出了二次电池智能化、轻量化、低成本、绿色化的未来技术发展方向。
图3：二次电池仿生技术的未来发展方向
生物多样性带来的材料-结构-功能多样性可以为二次电池的发展提供新的启发。与传统材料相比，生物元素具有环境友好性、可再生性、可设计性、适应性和兼容性等独特优势，对推进电池领域的变革发展具有重要科学意义。以化学工程、材料学、仿生学、环境科学、能源工程、计算机科学等学科融合为基础，可以构建绿色电池，实现电池材料包括开采生产、组装运输、回收处置在内的全生命周期安全、环保、可持续发展；实现电池智能化（机器学习和智能电池管理系统）、结构化（高能量密度材料、轻质和坚固的外部支撑材料）和低成本化（可再生资源、集成设计）发展。
课题组近期在二次电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）（借鉴生物系统的感知、响应与决策一体化机制，实现具备感传控决功能的智能电池的构建、集成和应用）
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：张伯焘硕士生/高圣钰硕士生）（借鉴生物系统的高效能量转换和存储的原理，突破二次电池高比能策略中的多电子储能机制，实现更高效的电子传输和能量存储）
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：杨斌斌博士生）（借鉴生物系统的高效传质通道和协同作用机制，实现聚合物电解质离子电导性和高机械性能的良好兼容）
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：张凤玲博士生）（借鉴生物体通过构建保护性屏障抵御外界侵蚀的策略，实现构筑保护壳层的方案改善锂金属体系电池中的侵蚀和腐蚀问题）
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）（借鉴生物分子苯丙氨酸的反应特性，通过引入锌离子电池电解质中作为功能添加剂，实现锌阳极可逆性的提高，缓解枝晶生长和界面副反应）
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：宋志航硕士生）（借鉴生物体分系统多功能协同机制，实现二次电池分级储能的双重机制）
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：郭亚飞硕士生）（借鉴生物组织动态自适应调节和结构重组特性，研制具有自我增韧并修复损伤功能的新材料，实现离子稳定的沉积/剥离和电池循环性的提升）
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：王辉荣博士生）（借鉴生物体界面自适应保护机制，构建电极界面疏水外壳或定向结构来抵御外界侵蚀，实现锌离子电池中离子沉积和成核生长过程的稳定调控）
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：邓成龙博士后）（借鉴生物细胞膜通过特异性分子识别和界面相互作用来控制离子传输并防止外界侵蚀的原理，实现锂金属二次电池中阴离子的选择捕获和阳离子的快速迁移）
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）（借鉴生物屏障结构的分层防护机制，通过构筑内层机械强度优、外层相容稳定强的电极电解液界面层，实现锂金属二次电池循环稳定性的有效提升）
