南昌航空大学谢美兰、香港城市大学刘韩、湖南大学梁宵最新AFM：超薄经济型隔膜助力贫电解液锌离子电池- 大数跨境

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南昌航空大学谢美兰、香港城市大学刘韩、湖南大学梁宵最新AFM：超薄经济型隔膜助力贫电解液锌离子电池

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2025-12-12

导读：南昌航空大学谢美兰、香港城市大学刘韩、湖南大学梁宵最新AFM：超薄经济型隔膜助力贫电解液锌离子电池

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文章信息

通过超薄且经济高效的隔膜实现贫电解液锌离子电池

第一作者：吴雨柔

通讯作者：谢美兰*，刘韩*，梁宵*

单位：南昌航空大学，香港城市大学，湖南大学

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研究背景

水系锌离子电池（AZIBs）因安全性高、成本效益好且环境友好而备受关注，但锌枝晶形成、副反应及正极自发溶解等固有问题阻碍了其商业化进程。目前研究多聚焦于锌负极界面和正极结构稳定性，而对影响离子传输与电池性能的隔膜重视不足。传统玻璃纤维（GF）隔膜厚度达数百微米，存在孔径不均、机械强度不足等缺陷，不仅导致不均匀的锌离子流和锌枝晶生长，还需大量电解液浸润以保证离子传输，使得隔膜与电解液占在电池中的重量分数超60%，严重降低能量密度。尽管减小电解液体积/容量（E/C）比是提升AZIBs能量密度的关键，但贫电解液条件下易出现电解液快速耗尽、锌枝晶生长加剧、负极表面形成 Zn(OH)₂和 ZnO钝化层等问题，单纯减少电解液用量难以实现高稳定性与高能量密度的统一，因此开发制备简便、成本低廉且适配贫电解液的超薄隔膜，成为推动高能量密度 AZIBs 实际应用的迫切需求。

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文章简介

近日，南昌航空大学谢美兰、香港城市大学刘韩、湖南大学梁宵团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Realizing Lean-Electrolyte Zinc-Ion Batteries via An Ultrathin and Cost-Effective Separator”的研究论文。该文章设计了一种经济高效的超薄PGZ隔膜，该隔膜具有高的离子电导和优异的机械性能，且能适配贫电解液，超薄隔膜结合贫电解液对推进高能量密度AZIBs的发展至关重要。

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本文要点

要点一：高离子电导的超薄PGZ 隔膜的低成本制备

本研究通过简单且经济高效的溶液流延策略，成功制备出厚度仅 10 μm 的 PGZ 隔膜，该隔膜易于大规模生产应用。PGZ隔膜由 β- 聚偏氟乙烯（PVDF）、玻璃纤维粉末（GF）和三氟甲磺酸锌（Zn (OTf)₂）复合而成，具有高杨氏模量和优异的电解液润湿性。同时，PGZ的离子具有高的离子电导（1145.5 mS）、高的迁移数（0.8）和低的活化能（ 25.27 kJ・mol⁻¹ ），能有效加快Zn²⁺传输动力学和均匀Zn²⁺流，促进致密的锌沉积。

图1. PGZ 隔膜的制备及性能表征。a) PGZ隔膜减少电解液用量及均匀Zn²⁺流的示意图；b) 分散于NMP溶液中的PGZ浆料及大规模制备PGZ隔膜照片；c) PGZ隔膜的扫描电子显微镜（SEM）图；d) PGZ隔膜的孔径分布曲线图；e) PVDF粉末与PGZ隔膜的X射线衍射（XRD）图谱；g) 不同隔膜的厚度对比图；h) 不同隔膜的最大电解液吸收量；i) 干态和润湿状态下不同隔膜的应力–应变曲线；j) 不同隔膜悬挂300g重物的照片。

图2. PGZ隔膜的离子传输机制。a）不同隔膜的离子电导；b) 不同隔膜的时间-电流曲线及初始与稳态阻抗谱的插图；c) 不同隔膜的Zn²⁺迁移数与Zn2+电导对比；d) Arrhenius曲线及活化能计算结果；e) α-PVDF与β-PVDF重复单元的静电势（ESP）；f) α-PVDF和β-PVDF与Zn²⁺、OTf^–、H₂O的结合能；g）PGZ和h) GF隔膜在15mA cm^–2电流密度下锌沉积过程的原位光学观察照片；i）PGZ和j）GF隔膜中沉积的锌的超景深3D显微镜图像；k）PGZ和l）GF隔膜的COMSOL浓度场模拟结果。

要点二：PGZ隔膜显著提升锌负极的稳定性和可逆性

PGZ隔膜能降低成核过电位、促进3D扩散和抑制锌金属负极腐蚀，凭借PGZ隔膜的优点，Zn/Zn对称电池在0.5 mA・cm^–2@0.5 mAh・cm^–2下能稳定循环3500 h，即使在交替循环与静置的测试条件下，Zn/Zn对称电池在1 mA・cm^–2@1 mAh・cm^–2下也能稳定循环2000 h；Zn/Cu非对称电池1 mA・cm^–2@1 mAh・cm^–2和 5 mA・cm^–2@1 mAh・cm^–2下能分别循环700次（平均 CE 99.0%）和 2000 次（平均 CE 99.9%），远优于GF，表明PGZ隔膜显著提升了锌负极的可逆性与稳定性。

图 3. 隔膜的电化学性能测试。a）Zn/Ti电池在1 mV s^–1下的循环伏安（CV）曲线；b) Zn/Zn电池在–150 mV过电位下的电流-时间曲线；c) 不同隔膜在5 mV s^–1下的塔菲尔曲线；d) Zn/Zn对称电池在0.5 mA cm^–2@ 0.5 mAh cm^–2下的循环稳定性；e) Zn/Zn对称电池在1 mA cm–2@1 mAh cm^–2下交替循环与静置的稳定性测试曲线；f) PGZ隔膜与文献报道超薄隔膜的循环性能对比图；g) Zn/Zn对称电池在固定容量1 mAh cm^–2、不同电流密度下的倍率性能；Zn/Cu电池在 h) 1 mA cm^–2@1 mAh cm^–2和i) 5 mA cm^–2@1 mAh cm^–2下的循环曲线和库仑效率（CE）。

要点三：贫电解液下PGZ隔膜的优异电化学性能

超薄的PGZ隔膜能适配贫瘠电解液，Zn/Zn对称电池在低电解液体积/容量（E/C）比4μL mAh^–1下能稳定循环700 h，即使在低E/C比2 µL mAh⁻¹和高放电深度（DOD：85.4%）的苛刻测试条件下也能稳定循环200 h，展现了PGZ隔膜在贫液电解液下的优异电学性能。

图 4. 贫瘠电解液下的电学性能测试。a) 不同隔膜的电解液损失率；b) 不同电解液用量下Zn/Zn对称电池的Nyquist图；c) Zn/Zn对称电池在不同 E/C 比和1 mA cm^–2@5 mAh cm^–2下的循环性能；d) Zn/Zn对称电池在5 mA cm^–2@5 mAh cm^–2（E/C=4μL mAh^–1）下循环性能；e) Zn/Zn对称电池在10 mA cm^–2@10 mAh cm^–2（DOD=85.4%, E/C=2μL mAh^–1）下的循环性能；f) Zn/Cu非对称电池在1 mA・cm^–2@5 mAh cm^–2下的库伦效率(CE)；g) f图不同循环圈数下对应得比容量-电压曲线；h) 循环后锌负极的XRD图谱；循环后i）锌负极与j) 隔膜的SEM图。

要点四： PGZ隔膜助力高能量密度 AZIBs

PGZ隔膜能有效抑制多碘穿梭，Zn/I₂全电池在低电解液体积/活性（E/A）比5 µL mg⁻¹和5C 倍率下能循环 23000 次（约 240 天）；Zn/I₂全电池即使在E/A比低至2 µL mg⁻¹、低 N/P 比（3.9）和3C倍率下的苛刻条件下，仍表现出优异的循环稳定性（2750次循环）和高的容量保持率（93.1%），非活性物质（电解液和隔膜）占比从GF的66.0%降至36.3%，实现了129.7 Wh kg⁻¹的高重量能量密度。值得注意的是，Zn/I₂软包电池在低E/A比（2 µL mg⁻¹）和3C倍率条件下循环6500次后仍保持77.1%的容量保持率，展现了PGZ隔膜在推动高能量密度AZIBs实际应用的巨大潜力。

图 5. Zn/I₂全电池性能。a）PGZ和b) GF组装的H型电池的静态扩散实验图像；c) β-PVDF与Zn²⁺、I₃⁻、I₅⁻的结合能；d) Zn/I₂全电池在1 mV s^–1下的CV曲线；e) Zn/I₂全电池的倍率性能测试；f) Zn/I₂全电池静置48 h后的自放电行为；g) Zn/I₂全电池在5C倍率下的循环性能；h) PGZ 和i) GF隔膜组装的Zn/I₂全电池在充放电过程中的原位拉曼图谱；j) PGZ 和k) GF隔膜组装的Zn/I₂全电池在不同循环次数的阻抗演化；l、m) 为对应的EIS解卷积得到的弛豫时间分布（DRT）图。

图 6. PGZ 隔膜在高能量密度水系锌离子电池中的实际应用。a）PGZ和b) GF隔膜组装的Zn/I₂全电池在不同E/A比下的充放电曲线；c) Zn/I₂全电池在低N/P（3.9）和3C倍率下的循环性能；Zn/I₂全电池中d) 主要组件的重量和e) 重量分数占比；f) Zn/I₂全电池基于不同计算基准下的质量和能量密度对比；g) PGZ隔膜与文献报道隔膜的厚度对比；h）Zn/I₂软包电池在3C倍率下的长循环；采用i）PGZ和j）GF隔膜在不同循环圈数下对应的电压曲线；采用不同隔膜组装的Zn/I2软包电池的k）重量和i）厚度比较；m）PGZ隔膜组装的软包电池串联驱动显示“AZIBs”的LED显示屏。

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文章链接

Realizing Lean-Electrolyte Zinc-Ion Batteries via An Ultrathin and Cost-Effective Separator

https://doi.org/10.1002/adfm.202527567

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通讯作者简介

谢美兰博士：2020年博士毕业于华中科技大学，现任职于南昌航空大学。主要从事锂离子电池、水系锌离子电池和聚合物电解质等方面的研究。相关研究成果以第一作者或通讯作者发表在Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Sci. China Mater.，Chem. Eng. J等国际高水平期刊上。

刘韩博士：2023 年博士毕业于香港城市大学材料科学与工程系，随后加入香港城市大学物理系任洋教授课题组从事博士后研究工作。长期专注于高性能锂离子电池、钠离子电池与锌离子电池关键材料的设计、制备及机理研究，涵盖聚合物/凝胶电解质、固态电解质体系及高电压正极材料等方向。相关研究成果以第一作者或通讯作者发表在 Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano 等国际知名期刊上。

梁宵教授：湖南大学化学与化工学院教授，湖南省百人计划、国家高层次人才计划、湖湘高层次人才计划获得者。2012年获中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位，2013年在加拿大滑铁卢大学进行博士后研究，2017年10月入职湖南大学。主要从事高比能二次电池研究，在Nat. Energy，Nat. Commun.，Angew. Chem.，JACS，Adv. Mater.，等期刊发表论文100余篇，论文总引用16000余次。任中国硅酸盐学会固态离子学分会青年理事、《储能科学与技术》等编委。