关于硅掺杂的碳氮化硼作为锂离子电池有前景负极材料的稳定性、动力学和电化学性能的见解：第一性原理计算

《Journal of Endodontics》：Insights into stability, kinetic, and electrochemical performance of silicon-doped boron carbon nitride as a promising anode material for lithium-ion battery: First-principles calculations

Zn-离子电池应用中，Xuan纸作为新型生物质 separators 展现优异性能：其纳米纤维结构（含丰富-OH和微孔）实现Zn2?传输调控，抑制枝晶生长，提升电池循环稳定性（Zn对称电池4000小时@0.2mA/cm2，Zn|XP|V?O?全电池1400次后89.7%容量保持）。Xuan纸具有高机械强度（>13.4MPa）、精准厚度控制（~50μm）及低成本生产特性，突破传统玻璃纤维 separators 的厚度不均（>47%差异）和脆性缺陷，为柔性可穿戴电子及电网储能提供创新解决方案。

　　本研究聚焦于解决水系锌离子电池（AZIBs）在实际应用中面临的关键问题，尤其是锌金属沉积不均匀以及由此引发的枝晶生长。这些问题严重限制了AZIBs的循环寿命和安全性，成为阻碍其大规模商业化的主要障碍。为了应对这些挑战，研究团队开发了一种基于传统生物质材料——宣纸（Xuan paper，简称XP）的超薄纳米纤维隔膜。这种隔膜不仅具有低成本、轻量化和机械强度高的特点，还通过其独特的化学和物理特性，有效调控锌离子的传输行为，从而实现更均匀的锌沉积和更稳定的电池性能。

水系锌离子电池因其使用水性电解质而具备显著的安全优势，相较于有机电解质，水性电解质不易燃烧，且在高温下具有更高的热稳定性。此外，锌金属负极具有较高的理论比容量（820 mAh g?1）和体积比容量（5855 mAh cm?3），使其成为高能量密度电池的理想选择。然而，锌金属在充放电过程中容易发生不均匀沉积，形成枝晶，这不仅会破坏电极结构，还可能刺穿隔膜，导致内部短路，进而引发安全风险。因此，如何有效抑制枝晶生长，提高电池的循环稳定性，成为当前研究的热点。

传统的玻璃纤维（GF）隔膜虽然被广泛应用于水系锌离子电池中，但其在厚度、机械强度以及功能性方面存在诸多局限。GF隔膜通常较厚，这会增加电池的内阻，降低其能量和功率密度。同时，GF隔膜的机械性能较差，难以满足柔性电子设备对电池结构灵活性的要求。此外，GF隔膜的生产成本较高，且其制造过程对环境不够友好，限制了其在大规模储能系统中的应用。更重要的是，GF隔膜缺乏对锌离子传输的主动调控能力，无法有效抑制枝晶形成和副反应，如氢气析出，从而影响电池的整体性能。

相比之下，宣纸作为一种传统的生物质材料，其纤维结构和化学特性使其成为一种极具潜力的隔膜材料。宣纸主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素和半纤维素富含极性羟基（-OH）基团，这为锌离子的传输提供了良好的亲和力。此外，宣纸的多孔结构有助于均匀分布锌离子的流速，从而减少枝晶的形成。研究团队通过动态网格过滤技术实现了宣纸的批量生产，这种方法不仅操作简单，而且能够精确控制隔膜的厚度，使其在机械性能和厚度一致性方面优于传统的玻璃纤维隔膜。

实验结果显示，采用宣纸隔膜的锌对称电池在0.2 mA cm?2和0.2 mAh cm?2的电流密度下，能够稳定运行超过4000小时，这一性能显著优于使用常规玻璃纤维隔膜的电池。此外，锌|宣纸|V?O?全电池在1 A g?1的电流密度下，经过1400次循环后仍能保持89.7%的容量，显示出优异的循环稳定性和电化学性能。这些数据表明，宣纸隔膜不仅能够有效抑制枝晶生长，还能显著提升电池的使用寿命和安全性。

从更深层次来看，宣纸隔膜的开发体现了对传统材料的现代应用。宣纸作为中国传统文化的重要组成部分，其制造工艺已有数千年的历史。然而，现代材料科学赋予了宣纸新的功能，使其成为高性能水系锌离子电池的潜在关键组件。这种将传统工艺与现代技术相结合的思路，不仅有助于推动新能源技术的发展，也为可持续材料的创新提供了新的方向。

在电化学性能方面，宣纸隔膜通过其丰富的羟基基团，能够选择性地与水合锌离子结合，从而降低锌离子的脱溶化能垒，提高离子的传输效率。这一特性使得电池在高电流密度下仍能保持较高的离子导电性，达到2.71 mS cm?1的水平。同时，宣纸的多孔结构有助于均匀分布锌离子的流速，避免局部过载，从而防止枝晶的形成。此外，隔膜的表面改性策略进一步增强了其对锌金属表面的保护作用，抑制了副反应的发生，如氢气析出和电解液的分解。

在实际应用中，水系锌离子电池因其安全性和成本效益，被认为是最具前景的储能技术之一。尤其是在大规模储能和柔性电子设备领域，AZIBs展现出巨大的潜力。然而，目前的技术瓶颈仍然存在，特别是隔膜性能的不足。因此，研究团队提出了一种基于宣纸的多功能隔膜设计策略，旨在通过改善离子传输行为和抑制副反应，提高电池的整体性能。

该研究的创新之处在于，将传统材料与现代电池技术相结合，开发出一种既环保又高效的隔膜材料。宣纸隔膜不仅在物理性能上优于传统材料，还通过其化学特性实现了对锌离子的主动调控。这种隔膜材料的开发为水系锌离子电池的商业化应用提供了新的可能性，也为其他类型的离子电池隔膜设计提供了借鉴。

从技术角度来看，宣纸隔膜的制备过程相对简单，可以通过动态网格过滤技术实现大规模生产。这不仅降低了生产成本，还提高了生产效率，使得这种隔膜材料具备良好的可扩展性。此外，宣纸隔膜的机械强度和厚度一致性也优于传统材料，使其能够满足不同应用场景对电池性能的要求。例如，在柔性电子设备中，电池需要具备一定的柔韧性和抗变形能力，而宣纸隔膜的机械性能恰好能够满足这一需求。

在环保方面，宣纸隔膜的原料来源于可再生资源，如砂纸和稻草，这使得其生产过程更加可持续。同时，宣纸隔膜的制造工艺相对绿色，减少了对环境的污染。这与当前全球对绿色能源和环保材料的重视趋势相契合，也为未来电池技术的发展提供了新的思路。

尽管研究团队在实验中取得了显著成果，但仍然存在一些需要进一步研究的问题。例如，如何进一步优化宣纸隔膜的表面结构，以提高其对锌离子的调控能力？如何在不同温度和湿度条件下保持隔膜的稳定性能？这些问题对于推动水系锌离子电池的商业化应用至关重要。此外，还需要进一步研究宣纸隔膜在不同电池体系中的适用性，以验证其在更广泛的应用场景中的有效性。

总的来说，本研究通过开发一种基于传统生物质材料的隔膜，为水系锌离子电池的性能提升和商业化应用提供了新的解决方案。宣纸隔膜不仅在物理和化学性能上表现出色，还具有良好的环保性和可扩展性，使其成为未来储能技术研究的重要方向。未来的研究可以进一步探索宣纸隔膜的改性方法，以增强其功能性和适应性，同时推动其在更多应用场景中的应用。