脱溶剂离子筛分复合纤维夹层设计实现水系锌离子电池无枝晶负极

为解决水系锌离子电池(AZIBs)中锌负极枝晶生长和副反应问题，研究人员通过电纺丝技术构建了BN@PAN复合纤维夹层。该疏水性夹层可有效阻隔电解液活性水与锌负极接触，抑制析氢反应(HER)，同时促进Zn2+均匀沉积。实验表明，BN20@PAN修饰的Zn//Zn对称电池实现2600小时稳定循环，性能提升18.4倍，为AZIBs界面工程提供了新思路。

　　

随着全球对安全、低成本储能需求的激增，水系锌离子电池(AZIBs)因其本质安全性和高理论容量(820 mAh g^-1)成为研究热点。然而，锌负极在实际应用中面临两大"顽疾"：电解液中水分子引发的析氢反应(HER)会腐蚀电极，而充放电过程中不受控的锌枝晶生长可能刺穿隔膜导致短路。更棘手的是，这两者往往相互加剧——HER产生的局部pH值变化会进一步扰乱Zn²⁺沉积行为，形成恶性循环。传统解决方案如高浓度电解液或单一涂层设计，往往顾此失彼，难以同时解决化学稳定性和物理屏障的双重需求。

山东某高校研究团队在《Materials Today Energy》发表的研究中，创新性地将无机材料氮化硼(BN)的机械强度与聚丙烯腈(PAN)纤维的离子传导特性相结合，通过电纺丝技术制备出具有多级调控功能的BN@PAN复合夹层。这项研究最巧妙之处在于，该夹层如同给电池装上了"智能门禁系统"：疏水的BN颗粒构成第一道防线，有效拦截电解液中活性水分子；而PAN纤维网络则作为离子分选通道，优先引导脱溶剂化的Zn²⁺通过，双重机制协同实现了2600小时的无枝晶稳定循环。

研究人员主要采用电纺丝技术构建不同BN掺杂比例的复合纤维膜，通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征材料形貌与晶体结构，结合电化学阻抗谱(EIS)和恒流循环测试评估电池性能。特别值得注意的是，他们创新性地采用原位光学显微镜实时观测锌沉积形貌，并利用有限元模拟揭示了离子流分布规律。

结果与讨论部分显示，BN₂₀@PAN展现出最优性能：接触角测试证实其疏水角达128°，显著高于纯PAN膜的72°；同步辐射X射线吸收谱表明，该夹层促使Zn²⁺优先沿(002)晶面沉积，形成致密平整的镀层。分子动力学模拟进一步揭示，BN纳米颗粒能破坏Zn²⁺的水合鞘结构，使脱溶剂化能垒降低34%。在1 mA cm^-2电流密度下，修饰后的Zn//Cu电池库伦效率(CE)高达99.73%，循环100次后仍保持95%容量，远超对照组。

结论部分指出，这种"疏水阻挡-离子筛分-机械强化"的三重保护机制，为AZIBs界面设计提供了新范式。相比传统负极涂层策略，纤维夹层设计具有厚度可控(20-50 μm)、与商业化隔膜兼容性强等优势。特别值得关注的是，研究中发现的(002)晶面择优生长现象，为后续晶体工程研究提供了重要线索。该工作不仅解决了AZIBs实际应用中的关键技术瓶颈，其提出的"脱溶剂离子筛分"概念也可拓展至其他多价离子电池体系。