Energy Reviews：锌离子电池隔膜：挑战、进展、以及改进策略

文章题目：Advances and perspectives on separators of aqueous zinc ion batteries

关键词：Aqueous Zn-ion batteries, Separators, Interfacial stability, Dendrite inhibition, Zn deposition

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970222000050

     近日，南京林业大学陈继章教授团队联合南京林业大学副校长徐信武在Energy Reviews发表文章“Advances and perspectives on separators of aqueous zinc ion batteries”, 该文章详细介绍了锌离子电池隔膜的研究进展和相应的锌离子电池改性策略。

01 内容简介

    1. Introduction（前言）

    2. Basic requirements for separators（基本要求）

    3. Modification strategies of separators（改性策略）

        3.1. Functional groups within separators（官能团）

        3.2. Surface coatings onto separators（表面涂覆）

        3.3. Hybrid architectures of separators（混合结构）

        3.4. Porosity regulations of separators（结构调控）

        3.5. Bipolar membrane（双极膜）

    4. Summary and perspectives（结论与展望）

02 内容亮点

    1. 指出了锌离子电池隔膜的重要性，提出了隔膜的基本要求；

    2. 系统阐述了针对隔膜的改性策略，包括引入官能团、构建表面涂覆层、建立混合结构、调控孔结构、利用双极膜，并简要分析了这些策略的作用机制；

    3. 比较了不同隔膜锌/锌电池的循环性能；

    4. 展望了未来的挑战和研究方向。

03 内容导读

     1. 隔膜的基本要求：

（1）低成本；（2）电绝缘；（3）适当的孔隙率；（4）良好的电解液润湿性；（5）低厚度（<20 μm）；（6）高柔韧性；（7）在电解液中具有高稳定性以保证高可靠性；（8）高湿强度和大湿模量以承受电极材料的膨胀以及枝晶和其它物质的穿透。

     2. 隔膜的改性策略：

（1）引入官能团, 隔膜中的官能团可以与电解液离子发生相互作用，从而调节锌离子的传输和锌沉积行为。比如，–SO3–官能团和锌离子之间的强相互作用可以改变水合锌离子的配位环境，为锌离子的传输提供选择性的便捷通道，使锌离子传输流均匀化，从而促进锌均匀沉积并抑制锌枝晶的形成。羟基官能团也被发现具有类似的作用。

（2）构建表面涂覆层, 表面涂覆是一种非常有效的界面改性方法。已经被报道对锌离子电池隔膜进行改性的涂层材料主要包括石墨烯、氧化石墨烯、石墨炔、MOF、MXenes和锡金属。比如，氧/氮掺杂石墨烯具有高亲锌性，可以保证均匀分布的电场，降低局部电流密度；石墨烯和MXenes能够在外延生长机制的作用下促使锌沉积沿着平行于锌负极的方向生长。

（3）建立混合结构, 在混合结构的隔膜中，改性材料应当是电绝缘的。比如，将二氧化锆介电材料引入到隔膜主体中，在Maxwell-Wagner效应的作用下可以产生定向电场，从而为锌离子的传输提供便捷且均匀的路径，加速锌离子的传输动力学，提升锌离子迁移数，使锌沉积更为稳定。

（4）调控孔结构，即使隔膜的亲水非常好，电解液离子也更倾向于在隔膜的孔道中传输扩散。传统玻璃纤维隔膜的孔径过大，孔隙大小不均匀，容易导致不均匀的锌沉积过程。当孔隙更小更均匀的时候，锌离子在隔膜内的传输扩散和隔膜内的电场分布变得更加均匀，有利于锌的均匀沉积。

04 重要结论

    总结了锌离子电池隔膜的研究进展，比较了相应的Zn//Zn电池的循环性能，并展望了未来的挑战和研究方向：

    （1）当前关于锌离子电池隔膜的研究尚停留在实验室阶段，迫切需要发展产业化制造技术，以满足大规模的实际应用需求；

    （2）研究最多的玻璃纤维和Nafion膜隔膜价格昂贵，力学性能差，需要开发价格低及力学性能好的其他隔膜体系；

    （3）隔膜的厚度需要进一步减少，推测低于20 μm的厚度是最优选择；

    （4）隔膜改性剂和表面官能团的作用机制有待进一步研究证实；

    （5）有待阐明影响隔膜性能的关键参数。

作者简介：

陈继章，南京林业大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。入选江苏特聘教授、江苏省“六大人才高峰”、南京林业大学青年拔尖人才培养计划。已经在Advanced Materials、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A等期刊发表SCI论文60余篇，其中影响因子10以上14篇。h指数22；获3项授权发明专利。目前研究方向包括锌离子电池、锂离子电池、超级电容器。

徐信武，教授、博士生导师。现任南京林业大学副校长。主要从事木质复合材料领域的科学研究与工程转化，参与完成了农作物秸秆人造板制造与产业化、定向结构板产业化及应用技术、速生木材改性增强及应用等领域或项目的研发工作，致力于木材/塑料/橡胶功能复合材料新领域。在国内外核心刊物发表学术论文90余篇，作为第一发明人授权发明专利7件，出版教材1部。先后获国家科技进步二等奖1项、省部级科技奖励4项。

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简介 

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