水系锌离子电子电池因其具有安全性高、环境友好、成本低等固有优势而备受关注，在电化学储能展现出巨大的应用潜力。然而，锌离子电池面临着枝晶生长及副产物生成等诸多关键挑战。隔膜作为电池的核心部分，在防止电极短路的同时保证了离子高效传输，直接影响电池的安全性和循环稳定性。

近期，松山湖材料实验室王欣团队在《Small Methods》期刊发表了最新研究成果“Graphite‐Modified PAN Separator with Electron Buffer Layer for Regulating Zn2+ Deposition in Aqueous Zinc‐Ion Batteries”。研究者以聚丙烯腈（PAN）和石墨纳米颗粒为前驱体，采用静电纺丝法设计了改性聚丙烯腈纳米纤维隔膜（GPAN）。石墨纳米颗粒作为电子缓冲层，加速界面电荷转移，将多余的电荷从电极表面分散到石墨颗粒上，减少电荷积累引起的极化，并通过电子消耗抑制尖端效应。GPAN隔膜具有较高的Zn2+转移数高达0.92，离子电导率为11.7 mS cm−1。在10 mAh−2的高电流密度下，锌锌对称电池表现出长期稳定性（长达400小时）。这项工作通过设计具有高离子转移数和功能特性的基于 PAN 的隔膜来调节 Zn2+沉积，为开发高性能ZIBs提供了一种简单有效的方法。

图 1. a) GPAN 隔膜的制备示意图。b) ZIBs中不同隔膜的沉积机理。

图 2. a、b) GPAN 隔膜与 PAN 隔膜的不同扫描SEM图像。c) 不同隔膜的电解液吸收率。d) GPAN 隔膜与 PAN 隔膜的FTIR曲线。e) PAN 基隔膜的柔韧性。f) 分别为 GPAN、PAN 及GF隔膜的厚度。g) GPAN、PAN 及GF隔膜的拉伸强度。

图 3. a) 采用不同隔膜的Tafel曲线。b) 在电流密度为 1 mA cm-2、容量为 1 mAh cm-2 的条件下循环 100 次后，使用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的锌负极的 XRD图。c) 使用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的锌负极在 1 mV s-1 扫描速率下LSV曲线。d) 使用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的 Zn||Zn 对称电池的CA曲线。e) 分别使用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜时，锌在裸铜表面沉积的首圈过电位。f) 装配 GPAN 隔膜的电池在极化前后的EIS及 10 mV 电位下对应i-t曲线。g) 采用两个不锈钢电极时 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的Nyquist图及计算得到的离子电导率。h) 不同隔膜的离子电导率与锌离子迁移数对比。i) GPAN、PAN 及 GF 隔膜的Arrhenius曲线及相应的活化能。

图 4. a) 在电流密度为 1 mA cm-2、容量为 1 mAh cm-2 的条件下，使用不同隔膜的 Zn||Zn 对称电池的循环性能。b) 在电流密度为 10 mA cm-2、容量为 10 mAh cm-2 的条件下，使用不同隔膜的 Zn||Zn 对称电池的循环性能。c) 使用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的 Zn||Zn 对称电池在不同电流密度下的倍率性能。d) 原始锌箔表面形貌。e-g) 分别使用 GF、PAN、GPAN 隔膜的锌电极在循环 100 小时后的表面形貌。h-j) 分别使用 GF、PAN、GPAN 隔膜的锌电极在循环 100 小时后的LCSM图像。k) 使用不同隔膜的 Zn||Cu 半电池的库仑效率。l) 采用 GPAN 隔膜的电池的容量电压曲线图。

图 5. a-c) 分别采用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的全电池在不同扫描速率下的CV曲线。d) 分别采用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的全电池的EIS。e) 采用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的全电池的倍率性能。f) 采用 GPAN 隔膜的全电池在不同电流下的恒流充放电曲线。g) 分别采用 GPAN、PAN 及 GF 隔膜的全电池在 1 A g-1 电流密度下的长循环性能。

研究结论

本文设计了通过静电纺丝制备的一种石墨纳米颗粒改性的 PAN 隔膜，石墨纳米颗粒可作为电子缓冲层，加速界面电荷转移，将电极表面的过剩电荷分散至石墨颗粒中，减少因电荷积累导致的极化，并通过电子消耗抑制尖端效应来优化锌离子的沉积行为。为评估不同隔膜对锌离子沉积的调控能力，我们在不同电流密度下对 Zn||Zn 对称电池进行了长期循环测试和倍率性能测试。结果表明，GPAN 隔膜具有高达11.7 mS cm-1离子电导率和0.92的Zn2+迁移数。采用 GPAN 隔膜的 Zn||Zn 对称电池在 10 mA cm-2 电流密度、10 mAh cm-2 容量下实现了 400 h 的长循环寿命，Zn||Cu 半电池展现出 99.32% 的优异库仑效率，Zn||NVO 全电池在 1 A g-1 电流密度下循环 1000 次后，容量保持率为 74%，表现出卓越的循环稳定性。预计这种具有高效离子传输通道的 GPAN 隔膜，将为下一代高效水系锌离子电池（ZIBs）的探索开辟创新路径。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202501055

人物介绍

王欣，松山湖材料实验室环境与能源高分子材料团队负责人、材料制备表征平台负责人、研究员、博士生导师。主要研究领域为高分子电解质、高分子绿色合成、废弃污染物聚合资源化、AI辅助的电解质设计等。主持国家自然科学基金面上项目、广东省重点领域研发计划课题、广东省基础与应用基础研究基金等6项，在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Energy Environ. Sci.，Macromolecules等期刊发表SCI论文60余篇，编著英文专著1部，授权发明专利3项。