贾殿赠教授、王省超教授， AFM观点：SnS2(001)-增强离子/分子筛分型隔膜助力高性能水锌有机电池

第一作者：海丽娟

通讯作者：孙颖*，王省超*，贾殿赠*

单位：新疆大学，新疆维吾尔自治区产品检验研究院

水系锌离子电池（AZIBs）因高安全性、低成本及锌负极的高理论容量（820 mAh g^–1）成为下一代储能系统的理想候选者。然而，锌负极的枝晶生长、析氢/腐蚀副反应，以及正极材料的溶解/穿梭效应严重制约其循环稳定性与实用化进程。扩散限制理论指出当局部电流密度超过临界阈值时，Zn²⁺浓度梯度引发尖端效应，枝晶开始在Zn负极表面择优生长，枝晶肆意生长导致电极孔隙率骤降，有效反应面积缩减。此外，正极材料在水系电解液都存在一定程度的溶解现象，并且在浓度梯度的驱动力下，溶解的小分子会穿过隔膜扩散至负极侧。与锌负极直接反应或在表面电沉积，导致容量衰减严重，极大地缩短了电极材料的使用寿命。目前的研究主要聚焦于锌负极改性及电解液添加剂，然而，上述策略仅缓解了负极界面的稳定性，对正极穿梭效应的抑制作用有限。

基于此，来自新疆大学的贾殿赠教授与王省超教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“SnS₂(001)-Reinforced Ion/Molecular Sieving Separator Enables High-Performance Aqueous Zinc-organic Batteries”的文章。该文章详细分析了SnS₂(001)@GF隔膜增强分子/离子的筛分作用机制，同时提高了水系锌有机电池负极和正极界面的稳定性，为实现高性能锌有机电池提供了思路。

图1. SnS₂(001)@GF多功能隔膜在Zn||IDT电池中的示意图。

AZOBs采用的水系电解液在本质安全性与环境兼容性方面具有显著优势。然而，水性体系的特殊性导致锌负极界面稳定性面临根本性挑战：其一，水分子高极性析氢反应和低过电位引发多重界面副反应；其二，缺乏类似LIBs中由有机电解液分解形成的固态电解质界面（SEI），无法构建兼具化学惰性、高机械模量、导离子但不导电子的绝缘保护层；其三，锌负极表面的几何异质性导致局部电流密度分布不均。粗糙区域因电场强度梯度形成Zn²⁺通量集中，促使锌沿（101）晶面择优沉积。此外，枝晶生长伴随电解液干涸效应，导致容量衰减率增大。通过SnS₂(001)晶面取向，实现了电场和离子浓度的均匀分布，诱导Zn²⁺沿(002)晶面优先沉积，形成致密且均匀的锌沉积层。此外，SnS₂(001)晶面具有较低的功函数和与Zn²⁺的结合能，同时排斥SO₄^2–，显著提升了Zn²⁺的扩散动力学，提高了多功能隔膜的离子电导率。SnS₂(001)@GF多功能隔膜在锌负极表面原位生成了Zn₅Sn₄、Zn₇Sn₄和ZnS等高离子电导率和优异的Zn亲和力的界面层，形成均匀的SEI膜，使对称电池表现出优异的循环稳定性（~2100 h）、较小的极化电压（~23 mV）和良好的倍率性能。

要点二：有机正极界面优化

对于全电池，正极材料主要包括无机和有机材料两大类。有机正极材料在水系电解液都存在一定程度的溶解现象，并且在浓度梯度的驱动力下，溶解的有机小分子会穿过隔膜扩散至负极侧。与锌负极直接反应或在表面电沉积，导致容量衰减严重，极大地缩短了电极材料的使用寿命。SnS₂的2D片状结构在隔膜表面均匀排列，有效减小了GF隔膜的孔径，对溶解的有机分子起到良好的屏蔽作用。当活性物质负载量为4.25 mg cm^–2时，在10 A g^–1的大电流密度下Zn||IDT电池可以稳定循环2300圈，当负载量增加至17 mg cm^–2时，在1 A g^–1的电流密度下850次循环后可以保持169 mAh g^–1的稳定容量，容量保持率为100%。

要点三：普适性验证

对于PT和DTT两种典型有机正极材料目前所面临的溶解和穿梭现象，该Janus隔膜展现出优异的电化学普适性，其性能优势通过系统的对比实验得到充分验证。Zn||PT电池在经过330次连续充放电循环后容量仅为55.05 mAh g^–1，表现出典型的界面失稳特征；而SnS₂(001)@GF隔膜在430次循环后依然有93.8 mAh g^–1的放电容量，容量保持率为78.54%。对于DTT正极，在400次循环后拥有约373 mAh g^–1的高放电容量，远优于GF隔膜，证实了其抑制有机小分子穿梭的长效稳定性。

要点四：前瞻

当前的研究无论是电解液调控，锌负极涂层设计还是隔膜，大多数都聚焦于解决锌负极或正极一侧的界面稳定性，本文通过设计Janus隔膜一方面有效抑制锌负极析氢、腐蚀和钝化等副反应，提高了锌负极的界面稳定性；另一方面，该隔膜可以有效阻碍溶解的有机小分子在电解液中的穿梭现象，对已经溶解的活性物质进行再捕获和活化。这有效提高了有机正极材料的界面稳定性和容量保留率，大大地延长了电极的使用寿命，为构建高性能水系锌有机电池提供了思路。

SnS₂(001)-Reinforced Ion/Molecular Sieving Separator Enables High-Performance Aqueous Zinc-organic Batteries 

贾殿赠，新疆大学化学学院教授，博士生导师，新疆大学省部共建碳基能源资源化学与利用国家重点实验室主任。主要从事功能材料化学研究，在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., J. Mater.Chem., Org. Lett., J. Phys. Chem. A等学术期刊上发表论文400余篇先后主持国家自然科学基金重点项目、第三次新疆科考项目、自治区重大/重点专项等科研项目40余项。研究成果获省部级科技奖励10余项，其中以第一完成人于2003、2006、2010、2013年获得新疆维吾尔自治区科技进步一等奖，2019年新疆维吾尔自治区自然科学一等奖，2019年新疆维吾尔自治区教学成果一等奖，2022年国家级教学成果二等奖。入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选，享受国务院特殊津贴专家，获首届自治区科技进步突出贡献奖，首批自治区战略科学家。

海丽娟，新疆大学化学学院硕士研究生