OI: 10.1002/aenm.202300283

水性可充电锌离子电池（ZIBs）被认为是下一代储能装置的理想选择，但由于活性水/阴离子腐蚀，锌金属负极的利用率有限（低于5%）。在此，通过分子筛开发了一种离子选择性和耐水性纤维素纳米纤维（CNF）/MXene复合膜，以通过锌离子的脱水作用限制活性水和阴离子进入电极/电解质界面，避免了水/阴离子引起的腐蚀/分解。通过这种方式，CNF/MXene@Zn负极表现出显著增强的库仑效率（在10mA/cm²时为99.5%）和低电压滞后。此外，涂有CNF/MXene复合膜的锌对称电池可以在100mA/cm²的极高电流和88.2%的超高锌利用率下运行，以实现创纪录的高累积电镀容量（12Ah/cm²）。全二氧化钒（VO2）|CNF/MXene@Zn电池在2A/g下表现出357mAh/g的高容量，并在500次循环后保持93.3%的容量。另外，在2.8的负/正容量（N/P）比下，CNF/MXene膜涂层锌能够稳定循环100次，证明了高能量锌电池的潜力。总体而言，设计的CNF/MXene膜使ZIBs有望成为实际应用的可行储能装置。

图1.a）锌负极表面有/无CNF/MXene膜涂层的镀锌和剥离过程示意图。在没有CNF/MXene膜涂层的情况下，严重的水/阴离子诱导的腐蚀和枝晶生长以及锌离子分布不均导致锌负极利用率低。当锌表面涂覆CNF/MXene膜时，可以通过无腐蚀和无枝晶实现锌负极的高利用率。b）详细示意图显示，水合Zn²⁺中的大量水合CF₃SO₃^-阴离子和水通过离子筛被膜阻挡。c）MXene/CNF膜和玻璃纤维膜的I-V曲线。d）CNF膜上[Zn（H2O）6]²⁺脱溶过程的DFT计算。e）模拟结构表明，水合[Zn（H₂O）6]²⁺中的水壳通过CNFs的结合而减少，以实现脱水过程。

图2.制备的CNF/MXene膜的材料特性。a）制备的CNF/Mxene膜的XRD图谱，b）Ti2p XPS图谱，c）SEM图像和EDS图谱，d）锌负极上的接触角测量，e,g）制备的CNF/Mxene膜的HRTEM图像，以及f）SAED图谱。

图3.在1mA/cm²的电流密度下，经20分钟锌剥离和电镀后，CNF/Mxene/Zn负极和裸锌负极的表面形态。a,b）剥离20分钟后和c,d）电镀20分钟后的裸锌负极。e,f）剥离20分钟后和g,h）电镀20分钟后的CNF/Mxene层涂覆锌负极。i）剥离和j）电镀后锌负极的AFM图像，k）剥离和l）电镀后CNF/Mxene层涂覆锌负极的AFM图像。

图4.对称电池的电化学性能。a）在1mA/cm²的电流密度下，对有无CNF/MXene膜的铜箔进行锌电镀/剥离的库仑效率。b）裸Zn//Zn对称电池和c,d）具有CNF/Mxene涂层的Zn对称电池的电压分布。e）具有和不具有CNF/Mxene保护层的Zn//Zn对称电池的长期锌剥离/电镀循环。f）对称电池在1至5mA/cm2电流密度范围内的倍率性能。

图5.在超高电流下测试了Cu/Zn不对称电池和Zn/Zn对称电池的性能。在a）5mA/cm²和b）10mA/cm²下测试了具有/不具有CNF/MXene涂层的Cu/Zn不对称电池的库仑效率。在c）10mA/cm²（容量为10mAh/cm²）和d）100mA/cm²（容量为100mAh/cm2）下测试了具有CNF/MXene保护层的Zn//Zn对称电池的循环稳定性。e）最先进锌电池的CPC（累积镀层容量）与面积电流的关系。f）CNF/MXene@Zn负极在对称电池中于100mA/cm²（容量为100mAh/cm²）下循环120次的横截面SEM图像。

图6.使用CNF/MXene涂层锌金属作为负极和合成VO₂作为正极的全电池的电化学性能。a）VO₂//Zn电池和VO₂//CNF/MXene@Zn电池在扫描速率为0.1mV/s时的CV曲线。b）VO₂//CNF/MXene@Zn电池在0.5至30A/g电流密度范围内的典型电压分布和c）倍率性能。电流密度为d）2A/g和e）30A/g时的长循环性能。f）低N/P比为2.8的VO₂//CNF/MXene@Zn电池。g）裸锌电极和h）具有CNF/MXene层的锌负极在2A/g下循环500次后的表面形态。