水系锌离子电池新突破：北京化工大学刘勇教授团队研发出新型阳极材料

第一作者：叶金秋

通讯作者：刘勇*

单位：北京化工大学，吉林大学，清华大学

水系锌离子电池（AZIBs）作为一种绿色、安全、低成本的能源存储技术，近年来受到广泛关注。然而，在多次充放电过程中，锌枝晶的生成和副反应是制约其长循环寿命和高效能的主要瓶颈。近日，北京化工大学刘勇教授团队联合吉林大学王策教授和清华大学胡平教授，在《Advanced Functional Materials》期刊上发表题为“Spatial and Electrostatic Dual-Confinement in Hierarchical Hollow Bi-Bi₂O₃@Carbon Nanofibers for Dendrite Suppression and Side Reaction Mitigation in Aqueous Zinc-Ion Batteries”的研究论文，报道了一种新型的水系锌离子电池阳极材料——负载Bi-Bi₂O₃的碳纳米纤维（Bi-Bi₂O₃@CNF）复合材料，该材料具备分级中空结构和表面沟槽，其在抑制锌枝晶生长、减少副反应和缓解电池极化方面表现出优异的性能。

随着对高效、可持续能源存储系统需求的不断增加，水系锌离子电池（AZIBs）因其高理论容量（820 mAh g⁻¹）、低还原电位（-0.76 V vs SHE）、低成本、环境友好和安全性高等优势，被认为是非常有潜力的下一代电池技术。然而，锌枝晶的形成和副反应问题严重限制了其实际应用。锌枝晶在充放电过程中会穿透隔膜，导致短路、循环效率降低，甚至引发安全问题。此外，锌枝晶的生长还会促进“死锌”的形成，进一步加剧容量损失。氢气演化反应（HER）也会因局部电位波动和表面缺陷而被诱导，消耗活性物质，加速电极腐蚀，并导致电池极化加剧。

研究团队通过静电纺丝、热处理和原位生长的方法制备了Bi-Bi₂O₃@CNF复合材料。首先，将聚丙烯腈（PAN）和聚苯乙烯（PS）按一定比例溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，通过静电纺丝制成纤维膜。随后，经过干燥、预氧化、碳化和洗涤等步骤，形成具有中空结构和表面沟槽的碳纳米纤维（CNF）。最后，将CNF浸入Bi(NO₃)₃·5H₂O的乙二醇溶液中，在160℃下反应10小时，通过原位生长在CNF表面形成Bi-Bi₂O₃纳米颗粒，形成最终的Bi-Bi₂O₃@CNF复合材料。

实验结果表明，Bi-Bi₂O₃@CNF复合材料具有独特的“空间&静电双重限域效应”。其高比表面积和纤维网络结构增强了电子传输和电解液分布，有效降低了欧姆阻抗和浓度极化，为锌的均匀沉积提供了充足的空间。此外，原位生长的Bi-Bi₂O₃、吡啶氮、吡咯氮和C-O-Bi键诱导了对锌的强亲和力和电负性，产生了“静电限域效应”，进一步放大了“空间效应”，形成了协同的“双重限域效应”。这种协同效应确保了锌的均匀沉积，抑制了枝晶生长和副反应，显著降低了电池的极化现象。

在电化学性能测试中，与纯锌阳极相比，Bi-Bi₂O₃@CNF复合材料显著降低了极化过电位（降低17.6%），提高了析氢反应过电位（增加11.52%），并且在超过200小时的循环中保持了98.8%的库伦效率。在全电池测试中，Zn@Bi-Bi₂O₃@CNF//MnO₂电池在1000 mA g⁻¹的电流密度下经过1000次循环后仍能保持73.0%的容量，表现出优异的循环稳定性和容量保持率。

该研究成功开发了一种新型的水系锌离子电池阳极材料——Bi-Bi₂O₃@CNF复合材料，通过“空间&静电双重限域效应”有效解决了锌枝晶生长和副反应问题，显著提升了电池的性能和稳定性。这一成果不仅为水系锌离子电池的发展提供了新的思路，也为下一代高效、安全的电池材料设计奠定了基础。未来，该研究方向有望进一步拓展到其他水系电池体系，推动绿色、高效能源存储技术的发展。

刘勇，北京化工大学教授、博士生导师，主要从事高分子及纳米复合材料制备与应用等研究。在特种高性能塑料应用、橡胶制品性能提升、塑料产品配方及工艺开发、特种功能纤维成型、静电纺丝制备超细纤维、燃料电池和太阳能电池器件制备、纳米纤维构筑生物医学器件等方面均有研究。迄今发表期刊文章210多篇，出版中文专著1部，英文专著2部，译著3部，著作章节2章，获授权专利66项，其中转让9项。是Renewable and Sustainable Energy Reviews (IF 15.9)和Polymers (IF 5.0)两期刊的特刊主编，40多种中外期刊审稿人。获国家科技进步二等奖1项，省部级技术发明一等奖1项二等奖3项、专利优秀奖2项等，是全国石油和化工行业优秀科技工作者。