水系锌离子电池（AZIBs）被认为是最有希望的下一代电池储能系统之一。其自身具有的高理论容量 （820 mAh g-1）、低还原电位 （-0.762 V vs SHE）等特点吸引了一大批科研工作者的研究。此外，AZIBs的水性电解质具有无毒、高安全性等优点。然而，AZIBs仍然面临着不少的应用挑战，如不受控制的锌枝晶、不良的副反应、析氢反应（HER）、钝化等。Zn 负极问题的恶化导致库仑效率降低和短路，这些问题严重阻碍了AZIBs的发展。
隔膜是AZIBs的关键部分，它显著影响Zn2+的通量和沉积/剥离行为，但目前尚未得到广泛关注。目前最常用于AZIBs的是玻璃纤维（GF）隔膜。然而，GF隔膜在AZIBs中的应用存在一些问题，如孔隙结构大且不均匀、厚度过大、机械强度差等，最终导致Zn2+通量不均匀、Zn2+沉积不均匀和枝晶形成。因此，有必要开发孔隙均匀以及适当亲锌特性的功能性隔膜。
近日，天津科技大学程博闻教授团队在期刊《Journal of Materials Science & Technology》上发表了最新研究成果“Hydrophilic–hydrophobic structure of ANF/MFC separator for high-stable dendrite-free aqueous zinc-ion batteries”。天津科技大学为第一署名单位，通讯作者为程博闻教授、杨磊鑫副教授。研究通过简单的抽滤和冷干工艺，利用疏水性芳纶纳米纤维（ANF）和亲水性微纤化纤维素（MFC）两者间亲水性/疏水性的差异，设计了一种具有亲疏水结构的复合隔膜，该复合隔膜在亲水羟基（MFC）和亲锌羰基(ANF)的协同作用下，使优化后的电池具有快速、低能垒的水合Zn2+脱溶剂过程、均匀沉积Zn2+和无枝晶Zn负极的特点。
图1：ANF/MFC隔膜的制备过程、微观结构和力学性能表征
隔膜结构对 Zn2+通量的再分布有显著影响，进而影响循环过程中 Zn2+ 的沉积 。GF 隔膜的 SEM 图像[图 1（e）]表现出大（2-7 μm）而不均匀的孔径分布，这可能导致 Zn2+ 通量不均匀和 Zn2+ 沉积不均匀。基于 MFC 和ANF 的纠缠效应，ANF/MFC 隔膜[图 1（g）]表现出比GF隔膜更平整的表面形貌 。
图2：ANF/MFC隔膜的物理性能表征和理论计算
傅里叶变换红外光谱 （FT-IR）结果表明，Zn2+（或一些水合Zn2+）与ANF主链上的–C=O配位。X 射线光电子能谱 （XPS）同样验证了 ANF 和 Zn2+ 之间的强相互作用。为了进一步分析实验结果，进行了密度泛函理论（DFT）计算、脱溶剂化势垒计算和活化能实验，结果表明，相较于GF隔膜，ANF/MFC隔膜有效优化了Zn2+的脱溶过程。
图3：Zn//Cu半电池和对称电池性能表征
具有ANF/MFC隔膜的Zn//Cu半电池表现出优异的循环稳定性，在1 mA cm-2的电流密度和1 mAh cm-2的容量下，经过800次循环后平均库仑效率（CE）为99.6%。具有ANF/MFC隔膜的Zn//Zn对称电池表现出卓越的循环性能：在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下可稳定循环超过3800 h，在5 mA cm-2和5 mAh cm-2下也可以保持450 h以上的稳定循环。
图4：锌负极沉积形貌表征
ANF/MFC隔膜的多重优化作用促进了均匀平整的锌负极沉积。通过SEM和原子力显微镜对锌负极循环后的沉积形貌进行表征，相较于使用GF隔膜的锌负极，使用ANF/MFC隔膜的锌负极表现出更加均匀平整的表面形貌。动态的原位光学显微镜也证明了这一点，随着沉积时间的增加，使用GF隔膜的锌负极出现大量黑色枝晶，而使用ANF/MFC隔膜的锌负极仍然十分光滑。
图5：ANF/MFC隔膜优化沉积示意图
图6：全电池性能表征
组装的Zn//V2O5全电池表现出良好的循环性能
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.074
通讯作者：
杨磊鑫 副教授 (Leixinyang@tust.edu.cn)
天津科技大学轻工科学与工程学院，副教授。长期从事高性能气体分离膜、固态电解质/隔膜及负极保护层的相关工作。迄今为止以第一作者或通讯作者在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, J. Membr. Sci., J. Mater. Chem. A等期刊发表多篇论文，主持国家自然科学基金青年项目、广东省基础与应用基础面上项目等8项纵横向科研项目，参与国家自然科学基金重点项目、国家重点实验室等多项项目。
程博闻 教授 (bowenc17@tust.edu.cn)
天津科技大学轻工科学与工程学院，教授；生物基纤维材料全国重点实验室主任、中国纺织工程学会副理事长、中国纤维素行业协会技术委员会副主任、《纺织学报》编辑委员会副主任、天津泰达新材料研究院院长；长期从事轻纺新材料的研究与开发工作，承担完成了国家科技支撑、973、863、国家自然基金、中央军委科技委、国防科工局项目和重大横向项目40余项；主编教材4部，参编教材或著作5部；发表学术论文400余篇，授权发明专利120余项。
