水系鋅離子電池（AZIBs）因鋅金屬負極的本征安全性、高理論容量和低氧化還原電位而備受關(guān)注。然而，緩慢的傳輸動力學(xué)和快速的枝晶生長等問題限制了其實際應(yīng)用。

在此，深圳大學(xué)張培新教授等人首次提出了一種獨特的雙界面工程（DIE，即纖維-電解液界面和隔膜-負極界面）策略，將隔膜設(shè)計為高效的離子傳輸調(diào)節(jié)器。該策略可通過將BaTiO₃（BTO）納米顆粒錨定在玻璃纖維上及填充隔膜的表面間隙來實現(xiàn)，作者通過DFT計算和實驗對調(diào)節(jié)機制進行了深入研究。

一方面，由于BTO的雙重功能，包括自發(fā)極化效應(yīng)和優(yōu)越的親鋅特性，BTO在玻璃纖維上的改性可有效地捕獲和促進Zn²⁺在纖維-電解液界面之間的傳輸。另一方面，得益于表面間隙的良好填充，隨后可以在隔膜-負極界面中實現(xiàn)均勻的離子傳輸。

系統(tǒng)的電化學(xué)性能測試表明，采用這種DIE改性隔膜的對稱電池Zn²⁺電鍍/剝離的可逆性顯著增強，鋅金屬電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性也得到改善。

圖1. 隔膜雙界面工程示意圖及BTO納米顆粒的表征

具體測試表明，基于DIE改性隔膜的Zn負極在10 mA cm^-2的高電流密度下表現(xiàn)出降低的電壓極化和高達8000甚至 9500 mAh cm^-2的超高累積容量。此外，經(jīng)過這樣的隔膜工程，Zn-MnO₂電池在1 A g^-1下循環(huán)1800次后仍能保持108 mAh g^-1的比容量，在0.2 A g^-1下100次循環(huán)后的容量保持率也可從37.5% 提高到115%。

總之，由于循環(huán)過程中增強的傳輸動力學(xué)及負極-電解液界面中的枝晶抑制，這種用于隔膜設(shè)計的DIE策略為調(diào)節(jié)離子傳輸行為以實現(xiàn)無枝晶鋅金屬負極和高性能鋅金屬電池提供了新的見解。同時，這項工作也有望激發(fā)研究人員認識到隔膜在開發(fā)先進儲能裝置方面的潛力。

圖2. 基于改性隔膜的Zn-MnO₂電池性能

Novel Concept of Separator Design: Efficient Ions Transport Modulator Enabled by Dual-Interface Engineering Toward Ultra-Stable Zn Metal Anodes, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202112936