阴离子增强型纳米纤维素隔膜实现锌碘电池中锌枝晶与多碘化物穿梭效应的双重抑制

为解决锌碘(Zn-I2)电池中锌枝晶生长和多碘化物穿梭效应两大难题，研究人员开发了一种基于秸秆衍生的羧基化纳米纤维素隔膜（TOCN-A）。该隔膜通过阴离子聚丙烯酰胺（APAM）修饰增强负电荷密度，兼具超薄（20μm）、高机械强度（147 MPa）和快速Zn2+传输特性。实验表明，TOCN-A隔膜能通过静电排斥抑制多碘化物迁移，同时引导均匀锌沉积，使Zn//Zn对称电池在2 mA cm-2下循环1800小时，Zn-I2电池在10,000次循环后容量保持率达94.2%。该研究为高性能锌基储能系统提供了新型隔膜设计范式。

　　

研究背景与意义

锌碘(Zn-I₂)电池因其高安全性、环境友好性和快速氧化还原动力学，被视为下一代储能系统的有力候选者。然而，锌负极的枝晶生长和多碘化物（I₃^-）穿梭效应严重限制了其实际应用。锌枝晶可能刺穿隔膜导致电池短路，而多碘化物的迁移则造成活性物质损失和库仑效率下降。尽管已有研究通过优化碘宿主材料或电解质改性部分缓解了这些问题，但传统玻璃纤维(GF)隔膜的机械强度不足、离子选择性差等缺陷仍未根本解决。

研究方法

研究团队以小麦秸秆为原料，通过TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基）氧化法制备羧基化纳米纤维素(TOCN)，并引入阴离子聚丙烯酰胺(APAM)增强负电荷密度，最终通过溶液浇铸法制得TOCN-A隔膜。采用SEM、FTIR、Zeta电位测试表征材料形貌与化学性质，通过DFT计算分析分子间相互作用，并系统评估了隔膜在Zn//Zn对称电池、Zn//Cu非对称电池及Zn-I₂全电池中的电化学性能。

研究结果

1. 隔膜设计与表征

TOCN-A隔膜展现出-66.4 mV的Zeta电位（图1b），显著低于未修饰的TOCN（-51.5 mV）。FTIR证实羧基成功引入（1600 cm^-1处C=O振动峰），APAM通过氢键增强机械强度至147 MPa（图1f）。

2. 锌沉积调控机制

DFT计算显示APAM与Zn²⁺的结合能（-0.08 eV）高于纤维素（-0.05 eV），促进[Zn(H₂O)₆]²⁺去溶剂化。TOCN-A使Zn²⁺迁移数提升至0.45（图2d），并降低沉积活化能至25.1 kJ mol^-1（图2f），诱导三维均匀沉积。

3. 电化学性能验证

Zn//Zn对称电池在2 mA cm^-2/2 mAh cm^-2下循环1800小时（图3a），极端条件（25 mAh cm^-2）仍稳定运行300小时。Zn-I₂电池在5 A g^-1下容量达120.7 mAh g^-1，10,000次循环后容量保持率94.2%（图5b）。H型电解槽实验证实TOCN-A对I₃^-的截留效率达81%（图4f）。

结论与展望

该研究通过阴离子增强策略构建的TOCN-A隔膜，首次实现了对锌枝晶和多碘化物穿梭效应的协同抑制。其创新性体现在：（1）秸秆原料的绿色转化路径；（2）APAM修饰提升的机械-电化学协同性能；（3）超薄厚度（20μm）与工业化兼容的溶液浇铸工艺。研究为开发高能量密度、长寿命锌基电池提供了新思路，相关成果发表于《Nano-Micro Letters》。未来工作可进一步探索隔膜在大面积柔性器件中的应用潜力。