随着储能技术的快速发展，水系锌离子电池（AZIBs）因其成本低、安全性高和环保特性，成为锂离子电池的有力替代方案，受到广泛关注。然而，在实际应用中，锌负极在镀/脱镀过程中易产生氢气析出和枝晶生长，导致副反应、电极表面钝化及安全隐患。为了克服这些问题，研究者们从热力学和动力学两个方面提出了多种抑制枝晶和增强锌电极稳定性的策略。例如，高浓度电解液可降低水活性，抑制枝晶生长；人工固态电解质界面（SEI）膜有助于改善离子迁移动力学。此外，锌沉积的晶面取向对抑制枝晶形成具有重要影响，引入离子调控中间层被认为是理想策略。
近日，青岛大学马丽娜团队和厦门理工罗浩团队在期刊《Journal of Energy Storage》上，发表了最新研究成果“Eco-friendly in-situ electrospun PLA/ZnO-ZnF2 biomass composite separator enabling stable zinc anode for sustainable aqueous batteries”。研究者通过原位静电纺丝技术，制备出一种环保、可生物降解的聚乳酸（PLA）基复合隔膜。得益于引入ZnO-ZnF2异质结构的引入，所得PLA/ZnO-ZnF2 复合隔膜不仅能提供高离子电导率，均匀化离子流，同时诱导锌沿(002)晶面定向沉积，并促进形成坚固的SEI膜，从根本上抑制枝晶和副反应，巧妙地协同解决了离子传导和界面稳定性的问题。
所制得的PLA/ZnO-ZnF2 复合隔膜表现出优异的离子导电性和力学强度，在对称电池中实现了超过1500小时的稳定循环性能，并在全电池中大幅提升了库仑效率和循环稳定性。该PLA/ZnO-ZnF2 复合隔膜在高性能水系锌离子电池中展现出广阔的应用前景。
图1：（a）聚乳酸产生与降解示意图，（b, c）保护层对锌沉积影响机理示意图。
POFP复合隔层的优异性能主要归因于其协同调控机制。一方面，ZnO优异的导电性，能引导Zn2+在向POFP层内ZnO颗粒及锌阳极表面迁移的过程中，实现从POFP层顶部到底部、同时从锌阳极底部到顶部的双向均匀沉积。另一方面，PLA纤维中引入的ZnF2可诱导Zn2+在（002）晶面择优沉积，有效调控锌成核行为。同时，ZnO亲锌性赋予POFP层优异的Zn2+捕获能力，显著促进Zn2+在纤维-电解液界面的快速迁移。值得一提的是，PLA本身具有天然疏水性和适宜的去溶剂化能力，可有效抑制锌负极副反应。因此，经PVP改性的POFP层展现出良好的稳定性，在平衡离子迁移效率的同时有效减少副反应，进而全面提升锌负极界面的稳定性与循环性能（图1c）。
图2：POFP复合隔膜的微观形貌分析与结构表征
通过静电纺丝技术制备POFP复合隔膜。图2a呈现了涂覆POFP层的锌箔的扫描电子显微镜（SEM）图像。值得注意的是，电纺PLA纤维相互交织形成了相对均匀的多孔结构。在更高放大倍数下（图2b, c），可以观察到沿着PLA纤维嵌入的纳米颗粒，这些颗粒不仅有助于维持交织多孔网络的完整性，还能促进离子传输并引导锌枝晶均匀沉积。通过能量色散X射线光谱（EDS）元素面分布分析证实了复合层中存在Zn、O、F和C元素，其中F和O元素均匀分布在纳米颗粒中（图2d）。
图3：不同样品的对称电池倍率性能和长循环性能比较。
如图3a所示，POFP复合隔膜能有效抑制由尖端效应引发的锌离子集中沉积，和更好的亲锌性。此外，循环稳定性与隔层对锌离子迁移的调控能力密切相关。因此，采用POFP复合隔膜的电池表现出优异的循环寿命，在5 mA cm-2条件下实现了超过1500小时的稳定循环 (图3b-d)，远优于未修饰的对照组电池(失效时间约为147小时)。综上，POFP复合隔膜不仅能够抑制枝晶生长，还能有效降低氢析出副反应。这表明所制备的POFP复合隔膜通过提供高离子电导率和增强界面稳定性，大幅提升了锌负极的可逆性和电池的长期循环性能。与未修饰POFP膜相比，POFP复合隔膜展现出更优异的枝晶抑制和电化学稳定性。
图4：不同保护层全电池倍率性能和长循环性能比较。
在电化学测试中POFP复合隔膜显示出更大的电流响应面积，更高的离子导率和更高的比容量（图4a, b），在全电池测试中，采用POFP复合隔膜的Zn//C–I2电池表现出优异的电化学性能。得益于均匀的离子通道和高效的枝晶抑制能力，该电池在高倍率下仍保持较高的比容量，并在5 A g-1电流密度下循环2000次后（图4c, d），容量保持率高达94.98%，显著优于未修饰对照组电池。这表明POFP复合隔膜不仅在对称电池中实现了稳定的锌沉积/剥离行为，还能在全电池中有效提升循环寿命和倍率性能，展现出在高性能水系锌离子电池中的实际应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.est.2025.1183873.
人物简介：
马丽娜，青岛大学应用化学系副教授，硕士生导师。迄今为止共发表国际主流期刊论文50余篇，包括Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A、J. Energy Chem.、ACS Appl. Mater. Inter.、Carbon、Compos.Sci.Technol.等，第一作者/通讯作者论文50余篇（其中2篇入选ESI高被引、热点论文），论文总引用超过1500余次，H指数22，授权国家专利14项，国际专利2项，参编著作2项。
罗浩，工学博士，副教授，硕士生导师。毕业于哈尔滨工业大学电化学工程专业；致力于新能源材料与器件的相关研究，主要包括锂/钠离子电池正负极材料的设计制备、新型电解液开发、电池安全管理及电池回收等。目前主持/参与国家自然科学基金、国家部委基金、中国博士后科学基金特别资助、河南省重点研发与推广专项（科技攻关）、郑州大学“求是计划”科研专项、厦门理工学院高层次人才科研启动等项目。以第一作者或通讯作者在PNAS、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Nano-Micro Lett.、Nano Energy、Energy Storage Mater. (2篇)、J. Energy Chem. (3篇)、Nano Res.、Electrochim. Acta (3篇)等中科院一区期刊上发表SCI论文10余篇，3篇论文入选ESI热点/高被引论文；共同作者论文20余篇，他引次数1500余次，H因子20。
