孙正明教授、章炜教授、水涛副研究员， Nat. Commun.研究论文：机器学习辅助电极动力学匹配设计，实现高性能柔性锌离子电池

第一作者：谢谦，游菀蓉

通讯作者：水涛*，章炜*，孙正明*

单位：东南大学

水系锌离子电池作为一种高安全性、低成本且环保的储能技术，广泛被认为是下一代储能体系的有力候选。然而，传统的锌离子电池在实际应用中面临着锌金属负极枝晶生长、电极溶解以及界面副反应等问题，这些都极大地限制了电池的循环寿命和稳定性。为了解决这一问题，研究人员提出了一种“双插层”电极设计方案，旨在避免金属锌的沉积与剥离，从而提高电池的稳定性。然而，这一设计仍然面临电极间离子扩散动力学不匹配的挑战，这导致电池性能下降，极化增大。为此，本文创新性地提出了机器学习辅助的动力学匹配模型，通过量化电极材料的离子扩散行为，优化了电极对的动力学兼容性。

近日，东南大学孙正明教授、章炜教授与水涛副研究员团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Machine learning-assisted kinetic matching model for rational electrode design in aqueous zinc-ion batteries”的研究论文。该文章为锌离子电池的电极设计提供了新的理论框架，并为实现高性能、高安全性的锌离子电池技术开辟了新的方向。

研究团队基于密度泛函理论与电化学测试结果，结合机器学习方法，提出了一种新的电极动力学匹配模型。该模型能够准确预测电极材料的离子扩散行为，并通过关键描述符（复合偏移指数CSI和扩散比率DR）来优化电极对的动力学匹配, 该模型的决定系数R2达0.886，均方根误差仅为0.067，对电极对的电化学性能实现了高精度预测。

团队成功设计出具有优异电化学性能的Zn₃V₃O₈‖NH₄V₄O₁₀（ZVO‖NVO）“无锌金属“的插层型锌离子电池体系。该电池在在0.1 A g^-1下比容量高达310 mAh g^-1，在5 A g^-1高倍率下循环超过12,000次后容量保持率仍超过80%并验证了动力学匹配模型在电极材料筛选中的指导作用。

为满足柔性储能应用需求，团队将ZVO‖NVO电极嵌入聚丙烯酸‑银纳米片复合水凝胶中，并与聚乙烯醇水凝胶电解质集成，构建了全水凝胶锌离子电池。该电池具有优异的机械柔韧性（拉伸率近400%），可承受多方向拉伸、弯曲和扭曲，同时保持稳定的电化学输出。其面积容量达1.2 mAh cm^-2，能量密度为1070 µWh cm^-2，在经历120次40%拉伸-释放循环后容量保持稳定，能满足可穿戴设备的供电需求。

Xie, Q., You, Y., Qiao, D. et al. Machine learning-assisted kinetic matching model for rational electrode design in aqueous zinc-ion batteries. Nat Commun (2025).

水涛副研究员简介：2014年本科毕业于华东理工大学高分子材料与工程专业，博士师从加拿大阿尔伯塔大学David C. Bressler 教授，随后在阿尔伯塔大学曾宏波院士课题组从事博士后研究工作。2022年加入东南大学大学，现为材料科学与工程学院副研究院。长期从事生物质基高分子材料，生物质功能材料和水系储能电池的研究和开发。以通讯作者身份在Nat. Commun., Energy. Environ. Sci., Chem. Rev.等学术刊物上发表多篇研究论文。

章炜教授简介：东南大学材料科学与工程学院教授、博导。近五年来以第一/通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci., Chem. Rev.等期刊上发表SCI论文80余篇，H-index 45。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金面上&青年、航空科学基金自由探索等项目。获教育部“长江学者奖励计划”青年学者，中国材料研究学会青年科技奖、中国建材联合会科学技术一等奖，江苏省科学技术三等奖，英国皇家化学会TOP 1%高被引学者等荣誉，担任Research和Nano-Micro Letters青年编委。

孙正明教授简介： 国家高层次人才、东南大学首席教授、博导。东南大学本科，中科院金属所硕士，中科院金属所-维也纳大学联合培养博士。先后在中科院、维也纳大学（博士后）、日本丰桥技科大学（JSPS）、美国Drexel大学进行复合材料、金属间化合物、先进陶瓷等研究。回国前在日本产业技术综合研究所（AIST）任主任研究员兼国际部长助理。入选国家高层次人才计划，回国后历任东南大学材料学院首届学术委员会主任、学院院长。近年来，在金属性陶瓷MAX相材料、二维材料MXene等能源环境材料的基础与应用研究中取得重要进展，得到国家重点研发计划、国家自然科学基金重点及面上、江苏省双创团队及人才等国家与地方的重大科研项目支持。在Nat Commun、Chem、Adv Mater、Angew Chem、Adv Energy Mater、Energy Environ Sci、Adv Funct Mater、 Acta Mater等期刊发表学术论文300余篇，授权发明专利40余项。任中国材料研究学会理事，中国复合材料学会常务理事，江苏省材料学会副会长，东南大学欧美同学会副会长等职。获中国侨界贡献（创新人才）奖，江苏省科学技术奖，复合材料学会科学技术奖等。

本课题组主要从事能源电子与器件、计算材料学、先端结构材料领域的研究，研究内容聚焦于新型储能材料、二维材料及其复合材料、金属晶须自发生长现象及机理等方向。课题组在研科研项目包括国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年项目，江苏省“双创团队”项目与“双创人才”项目，江苏省自然科学基金青年项目、面上项目，以及企业合作科研项目等。