吉大韩炜&南航申来法/陈铎AFM：界面串联化学赋能纤维素隔膜实现高倍率长寿命锌电池

第一作者：苗成林

通讯作者：韩炜*，申来法*，陈铎*

单位：吉林大学，南京航空航天大学

纤维素隔膜在水系锌离子电池高倍率运行条件下面临很大挑战，这是由于分子间氢键作用导致Zn²⁺ 扩散缓慢，以及水活度过高引起的界面不稳定。高的离子传递和水活性的抑制通常存在难以兼得的矛盾，因为对于纤维素膜的亲水亲锌的改性可以提升离子电导率，但是会导致水诱发的副反应严重；疏水改性可以降低水活性抑制副反应的发生，但是会牺牲高倍率性能。

近日，吉林大学韩炜、南航申来法、陈铎团队在Advanced Functional Materials期刊发表了题为“Unlocking the Potential of Cellulose Separators for High-Rate Performance in Zinc-Ion Batteries via Interface-Engineered Tandem Chemistry”的研究论文，提出了一种纤维素膜的界面串联化学设计，在纤维素表面集成了壳聚糖−三甲酰氯（CS-TMC）层，内部的壳聚糖与纤维素交联，富含亲锌的−OH 基团，提高了隔膜的润湿性、电解质吸液率以及 Zn²⁺ 在隔膜体内的传输速度；外部接枝的三甲酰氯带有苯环和酰氯等疏水基团，有助于促进水合Zn²⁺ 的去溶剂化，并通过减少活性水的量来抑制界面副反应。因此， CS-TMC 隔膜可以让Zn||Zn对称电池在 40 mA cm⁻²的高电流密度下实现超过 4500 次的长循环寿命，超过了大多数已报道的纤维素基隔膜。此外，CS-TMC 隔膜还能保护氧化钒正极不溶解，在 10 A g⁻¹的电流密度下可提供 270 mAh g⁻¹的容量，并在 10000 次循环后保持 98.2%，证明了纤维素隔膜的串联化学设计在实际应用中的巨大潜力。

通过亲锌疏水串联化学设计在提高锌离子离子电导率同时降低水活性对电池的破坏，这种亲锌-疏水的串联化学设计理念，构建了一个功能分区的电解液微环境。亲锌位点通过强烈的分子间相互作用，高效地引导和“拉动”锌离子的快速定向迁移，从而显著提升锌离子电导率；疏水界面层可以辅助脱溶，进一步加速界面反应动力学。同时，界面疏水层可以束缚和限制水分子的移动与反应活性，从源头上降低了水引发的副反应（如腐蚀、析氢）对电池的破坏。

CS-TMC纤维素隔膜具有良好的机械强度，界面修饰层在300nm左右。分子动力学模拟表明，疏水层不仅降低了界面水分子含量，同时减少了溶剂化水数量。这种双重降低效应显著抑制了水引发的副反应，最大限度地减少了锌负极界面的副反应腐蚀，从而显著提升了电池的电化学稳定性

电化学测试证实，CS-TMC纤维素隔膜显著提升了锌离子迁移数、降低了脱溶剂化能垒并减少了界面阻抗。更高的迁移数抑制了浓度极化，更低的脱溶剂化能加速了沉积动力学，而更小的阻抗则确保了界面的快速电荷转移。这一协同效应显著增强了纤维素隔膜在高倍率充放电条件下的稳定性，为其在大电流场景中的应用提供了关键支撑，实现了在40 mA cm⁻²的大电流密度下的稳定循环。

该改性策略对稳定锌沉积与抑制析氢反应均展现出显著效果。一方面，它通过均匀锌离子传输路径，加快离子传导速率，实现了致密、无枝晶的锌沉积形态，从根本上提升了沉积/剥离过程的可逆性；另一方面，通过Dems和原位气相色谱分析，证明其对析氢副反应具有良好的抑制作用。

通过有效抑制电解液的水活性，显著提升了钒基正极的循环稳定性与倍率性能。水活性降低大幅抑制了钒离子的溶出和晶格结构的坍塌，保障了正极材料的长循环结构完整性。

本文展示了一种用于高倍率性能锌离子电池的纤维素隔膜的串联化学设计。作为概念验证，壳聚糖（CS）和三甲酰氯（TMC）通过原位聚合方法在纤维素基底上实现。内部的CS与菌纤维素交联，富含亲锌的─OH基团，可增强电解液的润湿性、吸收速率，并通过整体隔膜快速传输Zn²⁺；同时，外层的TMC接枝疏水性基团（如苯环和酰氯）有助于水合Zn²⁺的脱溶剂化，并通过降低活性水含量抑制界面副反应。因此，串联化学设计能够同时加速Zn²⁺的传输和脱溶剂化，并抑制界面副反应。这种界面串联化学设计，使纤维素隔膜在高倍率水系电池中的应用成为可能。

Unlocking the Potential of Cellulose Separators for High-Rate Performance in Zinc-Ion Batteries via Interface-Engineered Tandem Chemistry

韩炜，吉林省A类人才，乌克兰工程院外籍院士，首批长白山学者特聘教授，吉林省教学名师。现任吉林大学未来科学国际合作联合实验室副主任，新概念材料首席科学家，物理学院教授，博士生导师。先后主持国家高科技计划863专项，科技部对R重大专项，吉林省科技发展计划重大/重点等项目。已在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci.等国际知名期刊上发表论文300 余篇，授权/申请发明专利70余件，入选全球顶尖科学家终身学术影响力榜单，名列 2024 年全球前 0.05% 科学家。

申来法，南航材料学院教授、博导，国家级青年人才、德国马普固体所洪堡学者；南航材料学院副院长、江苏省高效储能材料与技术重点实验室副主任。从事高功率化学电源材料与器件及在航空航天领域应用的研究。以第一/通讯作者在Nature Energy, Nature Commun. Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表多篇高影响力论文，H-index 72。荣获国际电化学会“电化学材料科学奖”、江苏省科学技术奖二等奖、强国青年科学家提名奖、中国青少年科技创新奖。和中科大余彦教授联合招收博士后（年薪30万+，另江苏省卓越博士后计划30万/2年）；团队招聘青年教师（相关政策参考https://rsc.nuaa.edu.cn/2025/0506/c381a374499/page.htm）。有意者请将个人简历及主要科研成果发送至邮箱：lfshen@nuaa.edu.cn