武汉纺织大学蔡光明/杨琪团队Small：磺化聚醚砜隔膜：一招“锁水”定“锌”局，锌离子电池循环超4400小时

第一作者：廖明敏

通讯作者：杨琪*，蔡光明*

单位：武汉纺织大学，中国矿业大学（北京）

水系锌离子电池（ZIBs）因锌金属负极具有成本低、安全性高、理论容量高等优点，被视为极具前景的下一代储能技术。然而，锌负极在循环过程中易产生枝晶、析氢和腐蚀等问题，导致电池循环寿命短、容量衰减快，严重阻碍了其实际应用。作为电池的关键组件，隔膜在调控Zn²⁺传输和沉积行为中扮演着核心角色。然而，商用玻璃纤维（GF）隔膜存在厚度大、孔隙不均、机械强度差等固有缺陷，难以有效抑制副反应和控制锌沉积。因此，开发一种兼具优异离子传导性、机械稳定性和界面调控能力的新型功能化隔膜，对于实现高性能、长寿命的ZIBs至关重要。

近日，武汉纺织大学杨琪与蔡光明教授团队在国际知名期刊《Small》上发表了题为“A Hydrophilic Sulfonated Polyethersulfone Separator Enables Highly Reversible Zn Anode in Aqueous Zinc-Ion Batteries”的研究论文。该工作通过静电纺丝技术，创新性地制备了一种新型亲水性磺化聚醚砜（SPES）纳米纤维隔膜。研究通过系统实验与理论计算揭示了隔膜中丰富的磺酸基团（–SO₃H）能够通过氢键网络“锁定”水分子、促进Zn²⁺去溶剂化，并引导Zn²⁺均匀沉积，从而显著抑制了锌枝晶生长和副反应。基于该隔膜组装的对称电池实现了长达4400小时以上的超稳定循环，Zn/V₂O₅全电池在1 A g⁻¹下循环2250次后容量保持率高达96.2%。这项工作为设计高性能水系锌电池隔膜提供了新思路，并展现了大规模应用的潜力。

精巧的材料设计与卓越的综合性能研究通过调控磺化时间（6 h, 8 h, 10 h），制备了不同磺化度的SPES隔膜。其中，磺化8小时的8H@SPES隔膜展现出最优的综合性能：厚度仅40 μm（远薄于GF的745 μm），孔隙率达85.7%，离子电导率高达25 mS cm^-1，锌离子迁移数高达0.92。其丰富的亲水性-SO₃H官能团为调控离子传输奠定了化学基础。

“锁水”与“导锌”的双重作用机制理论计算与实验表征共同阐明了–SO₃H的关键作用：1）与水分子形成强氢键（结合能-10.2 kcal mol⁻¹），有效“锁定”自由水，抑制析氢和腐蚀等副反应；2）与溶剂化Zn²⁺结合（结合能-11.7 kcal mol⁻¹），促进其脱溶剂化过程，降低迁移能垒；3）通过可逆的配位/解离过程（–SO₃H + Zn²⁺⇌ –SO₃Zn⁺  + H⁺ ），引导Zn²⁺在电极界面均匀分布，抑制枝晶。

超长稳定的电化学性能得益于上述优势，8H@SPES隔膜赋予了电池卓越的电化学性能：

1. Zn/Zn对称电池：在0.5/2.5/4 mA cm^-2的阶梯电流密度下稳定循环超过4400小时。
2. Zn/V₂O₅全电池：在1 A g^-1电流密度下循环2250次后，容量保持率高达96.2%。
3. 组装的软包电池能够稳定点亮LED面板，展示了其实际应用潜力。

前瞻与意义该工作不仅提供了一种性能优异、易于规模化生产（静电纺丝技术）的新型隔膜，更重要的是从分子层面揭示了亲水官能团调控Zn²⁺溶剂化结构与沉积行为的作用机理，为未来水系电池隔膜的功能化设计提供了理论指导。通过简单的化学改性实现界面稳定性的飞跃，这一策略有望加速高安全、低成本水系锌离子电池的商业化进程。

A Hydrophilic Sulfonated Polyethersulfone Separator Enables Highly Reversible Zn Anode in Aqueous Zinc‐Ion Batteries