随着对安全、环保、低成本储能需求的日益增长，水系锌离子电池（AZIBs）脱颖而出，成为极具潜力的下一代储能技术。然而，锌枝晶生长、正极材料溶解、副反应等诸多挑战，严重制约了其商业化进程。静电纺丝技术，作为一种能够精准制备纳米纤维材料的强大工具，正为解决这些难题提供创新性的解决方案。
近日，武汉工程大学黄华波、季家友&武汉纺织大学黄娟团队在《Advanced Fiber Materials》 期刊上发表了题为 “面向水系锌离子电池的静电纺丝工程：多尺度结构调控与储能性能提升”的综述文章（第一作者：刘云鹏、黄静）。该文章系统性地阐述了如何利用静电纺丝技术对AZIBs的正极、负极、隔膜及电解质进行全面优化，通过多尺度结构设计有效提升了电池的综合性能，并展望了未来的挑战与发展方向。
静电纺丝技术为何能成为AZIBs的“利器”？
静电纺丝技术可通过电场力作用制备出具有高比表面积、三维互联多孔结构、成分灵活可调的纳米纤维膜。这些独特的结构优势使其非常适合应用于AZIBs的各个组件：
为离子迁移提供高速公路：丰富的孔隙和通道利于电解液浸润和离子快速传输。
为活性物质提供稳固支撑：一维纤维网络能有效缓解电极材料在充放电过程中的体积膨胀，防止结构坍塌。
实现功能一体化设计：通过材料复合与结构设计（如核壳、中空纤维），可同时赋予组件导电、催化、亲锌等多种功能。
图1：静电纺丝工程在AZIBs正极、负极、隔膜和固态电解质中的应用实例示意图及近年来静电纺丝技术在AZIBs中的发展时间轴
静电纺丝在AZIBs各组件中的精彩应用
1. 正极：构筑稳定导电网络，抑制溶解与坍塌
对于钒基和锰基等主流正极材料，研究者通过静电纺丝将活性物质与碳纤维等复合，成功制备出自支撑柔性电极。碳纤维三维网络不仅大幅提高了电极的导电性，抑制了活性颗粒的团聚，其坚固的骨架结构还有效缓冲了Zn²⁺嵌入/脱出带来的体积变化，显著提升了材料的循环稳定性。例如，V₂O₃/碳纳米纤维复合正极在5 A g–1的高电流密度下循环1000次后，仍能保持202 mAh g–1的高可逆容量。
图2：静电纺丝应用于AZIBs正极：可以构筑稳定的导电网络，抑制活性物质溶解与坍塌。
2. 隔膜：引导离子均匀分布，抑制枝晶刺穿
商用玻璃纤维隔膜孔隙过大、机械性能差，易被锌枝晶刺穿。静电纺丝可制备孔隙率、孔径分布高度可控的功能性聚合物隔膜。通过在纤维中引入亲锌官能团（如-CN, -NH₂） 或功能性纳米材料（如MOF、MXene），可以调控Zn²⁺均匀分布，从而实现无枝晶的锌沉积，极大提升电池的循环寿命和使用安全。
图3：静电纺丝应用于AZIBs隔膜：优异的孔隙率和力学性能，能够实现引导离子均匀分布，抑制枝晶刺穿。
3. 固态电解质：集成多功能于一体，迈向柔性化
将凝胶电解质与静电纺丝纳米纤维膜结合，可制备出兼具高离子电导率和优异机械性能的准固态电解质。纤维骨架提供了良好的力学支撑，能有效抑制枝晶生长，而其多孔结构保证了高效的离子传输。这种策略为开发高安全、高柔性的可穿戴锌离子电池提供了可能。
图4：静电纺丝应用于AZIBs固态电解质：兼具高离子电导率和优异机械性能。
4. 负极界面保护层：人工SEI，助力锌均匀沉积
直接在锌负极表面静电纺丝一层多孔碳纤维或聚合物纤维膜作为人工SEI层，是保护负极的有效策略。该保护层可以均匀电场分布，提供丰富的成核位点，引导锌优先在(002)晶面沉积，从而有效抑制枝晶生长和副反应。研究表明，有此保护的锌对称电池寿命可超过1500小时。
图5：静电纺丝用于构筑AZIBs负极界面保护层：调节负极的电镀/剥离行为，提高负极性能及寿命。
挑战与未来展望
尽管静电纺丝技术展现出巨大潜力，但其在AZIBs中的应用仍面临活性物质负载量、长期循环稳定性、规模化生产成本等挑战。未来研究可聚焦于：
人工智能与仿生设计：利用AI技术辅助优化纤维结构和成分设计。
绿色可持续材料：开发基于生物质聚合物的绿色纺丝原料。
一体化集成制造：结合3D打印等技术，实现电极-隔膜-电解质的一体化制备。
深入机理研究：结合原位表征技术，深入探究纤维界面与锌沉积行为的相互作用。
总之，静电纺丝工程为高性能AZIBs的设计与开发提供了广阔的平台，通过持续的材料与技术创新，有望加速推动AZIBs在大规模储能和柔性电子领域的实用化进程。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s42765-025-00593-y
人物简介：
黄华波：博士、副教授，硕士生导师，曾入选湖北省第四批中小微企业“科技副总”及湖北省第五批“博士服务团”。长期致力于导电功能凝胶材料、新能源材料与器件（超级电容器、 锌离子二次电池等）和高分子复合材料的研究。承担了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、国家留学基金委CSC访问学者项目和企业横向项目等科研课题近10项，已发表SCI 学术论文80余篇，获得授权国家发明专利 10 余项，指导学生在“互联网+”、“挑战杯”、“节能减排”等学科竞赛中获得国家级奖项 5 项、省级奖项 3 项，并获得武汉工程大学首届“赢时胜奖教金”教学科研先进工作者荣誉称号。
季家友：博士、教授、博士生导师，湖北省优秀青年骨干人才、湖北省龙泉英才获得者、湖北省博士服务团先进个人，湖北省科技创新团队负责人，研究方向为先进膜材料的开发与应用。作为课题负责人主持并完成了国家自然科学基金、湖北省技术创新专项重大项目、湖北省重点研发项目，作为课题负责人参与了国家自然科学基金区域联合基金重点项目、贵州省重大专项，以及企业委托技术开发项目等各类科研项目25项，先后发表论文40余篇。先后获湖北省“五一”劳动奖章、湖北省专利奖金奖、湖北省科技进步一等奖、石化联合会技术发明二等奖。
黄娟：2016年获得利贝雷茨技术大学纺织技术和材料工程专业博士学位，现为武汉纺织大学硕士生导师。主要从事功能非织造材料，储能功能高分子复合材料等研究。以第一作者和通讯作者在Adv. Fiber Mater., ACS Sustain.Chem.Eng., Appl. Surf. Sci., Polymer, Colloid.Surface.A等期刊发表SCI论文二十余篇。主持湖北省自然科学基金青年项目，湖北省教育厅科学研究计划指导性项目，等离子体化学与新材料湖北省重点实验开放基金等5项。
