水系锌离子电池（ZIB）相较于传统锂离子电池具有几个优势，如卓越的安全性、成本效益和易于制造，这使其成为大规模储能应用的潜在竞争对手。但锌金属阳极上不受控制的Zn²⁺离子沉积引起的猖獗的枝晶生长对水系锌离子电池（ZIB）的实际应用构成了重大障碍。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所李恒副研究员、朱英杰研究员、上海交通大学Jingchao Tao报道了一种超薄（5µm）芳纶纳米纤维（ANF）隔膜，以提高锌阳极的稳定性和ZIB能量密度。通过系统的实验研究和DFT模拟，作者证明了具有独特表面极性的ANF隔膜可以改变溶剂化结构，促进去溶剂化，并调节Zn²⁺离子的沉积方向。因此，与传统的玻璃纤维隔膜相比，在5 mA cm⁻²/2.5 mAh cm⁻²下，采用ANF隔膜的锌阳极的运行时间增加了85倍，超过850小时。即使在50%和80%的苛刻放电深度条件下，锌阳极仍分别维持超过475和200小时的延长循环周期。此外，当将这种ANF隔膜与薄锌阳极和高面容量的Mn_2.5V₁₀O₂₄∙5.9H₂O阴极在低负极容量/正极容量比（2.64）的全电池中配对时，可获得优异的重量/体积能量密度（129.2 Wh kg^-1/142.5 Wh L^-1），远远超过文献中报道的大多数ZIBs。这项工作提供了一种有前景的超薄隔膜，可用于促进高能量密度水系ZIB的利用。

文章要点：

1. 这项工作报告了一种超薄芳族聚酰胺纳米纤维（ANF）隔膜，以提高锌阳极的可逆性和水系ZIB的能量密度，同时提高锌的利用率。研究显示，ANF隔膜具有丰富的极性官能团、相互连接的纳米孔、高机械强度和仅5 μm的创纪录的薄度。

2. 通过综合实验研究和密度泛函理论（DFT）计算，作者系统分析了ANF隔膜对Zn²⁺离子传输特性、Zn沉积行为和水系ZIBs电化学性能的影响。首先，ANF隔膜中的亲核羰基官能团具有高亲锌性，可以调节溶剂化结构并加速Zn²⁺离子的去溶剂化，从而增强其传输动力学。此外，ANF隔膜的均匀纳米孔可以进一步调节隔膜-锌界面上的Zn²⁺离子分布，使锌金属阳极表面的Zn²⁺离子通量和电场分布均匀化，从而减轻尖端效应。最有趣的是，ANF隔膜促进了Zn²⁺离子沿（100）和（101）方向的沉积，从而减缓了Zn（002）晶面的生长速度，导致优选的Zn（002）织构暴露并抑制了Zn枝晶的形成。

3. 因此，与传统的GF隔膜相比，在5 mA cm⁻²/2.5 mAh cm⁻²下，使用ANF隔膜的Zn阳极的运行时间增加了85倍，超过850小时。即使在50%和80%的苛刻放电深度（DOD）条件下，锌阳极仍分别维持超过475和200小时的延长循环周期。此外，在低负极容量/正极容量（N/P）比（2.64）的全电池中，将这种超薄ANF隔膜（5 μm）与薄锌箔阳极（30 μm）和高面积容量Mn_2.5V₁₀O₂₄∙5.9H₂O（MVOH）阴极（6.70 mAh cm^-2）配对，实现了优异的重量和体积能量密度（129.2Wh kg^-1和142.5Wh L^-1），远远超过了文献中报道的大多数ZIBs。

图1 ANFs的制备和表征

图2 ANF隔膜的微观结构和力学性能

图3 ANF隔膜在Zn//Zn对称电池中的电化学性能评价

图4 ANF隔膜在低N/P比Zn//高负载MVOH全电池中的电化学性能评价

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来源：高分子科学前沿

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