水系鋅離子電池（AZIBs，AqueousZinc-ionBatteries）憑借其固有的高安全性、低廉的原材料成本以及環(huán)境友好等突出優(yōu)勢，正成為全球下一代大規(guī)模儲能解決方案的重要候選技術。然而，其商業(yè)化進程始終受制于鋅負極在充放電循環(huán)中的不穩(wěn)定性。
這一問題主要體現在兩個方面：一是鋅枝晶的無序生長，這種針狀的金屬晶體會刺穿隔膜，引發(fā)電池內部短路，造成嚴重的安全隱患；二是鋅負極與水系電解液接觸時，會不可避免地發(fā)生析氫、生成氫氧化物等副反應，這些副反應不僅會消耗活性物質和電解液，還會在電極表面形成一層不導電的“鈍化層”，最終導致電池性能衰退。
最近，四川大學團隊針對這一長期困擾業(yè)界的難題，提出了一種創(chuàng)新的解決方案。他們另辟蹊徑，不再局限于傳統(tǒng)隔膜“被動”隔離的思路，而是成功開發(fā)出一種能夠“主動”參與并調控界面電化學行為的功能性隔膜，從根源上為解決這兩大技術障礙提供了切實可行的新路徑。
圖丨研究團隊（來源：該團隊）
日前，相關論文以《用于內亥姆霍茲層均化的介孔鐵電隔膜實現高可逆性鋅負極》（AMesoporousFerroelectricSeparatorforInnerHelmholtzPlaneHomogenizationEnablingZincAnodewithHighReversibility）為題發(fā)表于Small[1]，同時申請中國發(fā)明專利一項（申請?zhí)枺?02411629244.6）。四川大學碩士生李軒是第一作者，周生洋研究員與楊紅麗助理研究員共同擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Small）
“我們在進行研究時，發(fā)現一個很關鍵的問題，就是適用于水系鋅電池的隔膜材料選擇非常有限?！敝苌笤诮邮蹹eepTech采訪時，首先點明了研究的出發(fā)點。目前普遍使用的玻璃纖維（GF，GlassFiber）隔膜雖然可用，但本身較厚，會限制電池的能量密度，且其在電解液中長時間浸泡后性能會下降，導致電池失效。因此，研究團隊的最初動機，便是開發(fā)一種全新的、不僅能適應水系環(huán)境，更能主動解決電池內部關鍵問題的功能性材料。
通過深入分析，研究團隊發(fā)現所有問題的根源都指向了電極與電解液之間形成的微觀界面——一個被稱為“亥姆霍茲雙電層”（Helmholtzdoublelayer）的區(qū)域。在這個僅有納米尺度的空間內，離子的分布、電場的強度，直接決定了鋅的沉積行為和副反應的劇烈程度。傳統(tǒng)隔膜對此區(qū)域無能為力，導致鋅離子濃度分布不均，在局部高濃度區(qū)域形成枝晶，并加劇析氫等副反應。
基于此，一個直接而大膽的想法應運而生：如果能引入一個額外的電場來主動調控這個雙電層，使其變得均勻，是否就能從根本上解決問題？“這時，我們就想到了鐵電材料。”周生洋說。鐵電材料是一類特殊的功能陶瓷，在外加電場下會發(fā)生自發(fā)極化，從而在材料內部產生一個穩(wěn)定、局域的內建電場。這正是他們所需要的主動調控手段。
圖丨Zn濃度分布及Zn電化學行為的機理示意圖（來源：Small）
考慮到實用化和低成本的要求，研究團隊選用了市場上已大規(guī)模商業(yè)化生產、成本低廉的鐵電陶瓷顆粒，如鈦酸鋇（BTO，BariumTitanate）和鋯鈦酸鉛（PZT，LeadZirconateTitanate），并利用天然、親水的纖維素作為粘接劑和致孔劑。通過簡單的“溶液真空抽濾法”，他們成功制備出了一種具有豐富介孔結構、機械性能堅固（其拉伸強度是傳統(tǒng)玻璃纖維隔膜的數十倍）的功能性鐵電隔膜。
這張看似普通的陶瓷隔膜，其核心的“主動”功能正源于鐵電顆粒產生的局域內建電場。這種主動調控機制產生了四個關鍵的協同效應：
圖丨介孔鐵電隔膜的結構及理化特性表征（來源：Small）
首先，加速離子在隔膜內的整體傳輸。實驗數據顯示，PZT和BTO隔膜的鋅離子電導率分別達到5.7和5.5mScm?1，幾乎是傳統(tǒng)玻璃纖維隔膜（3.1mScm?1）的兩倍。這種提升可歸因于鐵電場對隔膜內離子傳導的局域加速效應，有效降低了電池的整體內阻，提升了倍率性能。
其次，也是最核心的一點，實現電極界面亥姆霍茲層的均勻化。有限元分析模擬結果直觀地展示，與鋅電極表面典型的亥姆霍茲平面分布（鋅離子濃度梯度）相比，在局域鐵電場的協調下，可以實現更均勻的離子分布。線性掃描伏安測試也證實，PZT隔膜電池表現出典型的歐姆電性行為且不依賴于掃描速率，說明電解質均勻化程度高，副反應發(fā)生可忽略不計。
（來源：Small）
第三，構筑了獨特的“快成核，慢生長”沉積模式。均勻化的界面帶來了一種反直覺但極為有效的電化學行為。在Zn||Cu不對稱電池測試中，BTO（62mV）和PZT（59mV）隔膜電池的成核過電位明顯低于玻璃纖維隔膜電池（78mV），說明鐵電隔膜能夠降低鋅沉積的成核勢壘。同時，擴散系數測量顯示，PZT隔膜中的鋅離子擴散系數（1.23×10?1?cm2s?1）比玻璃纖維隔膜（8.67×10?12cm2s?1）降低了約3個數量級。這種模式下，鋅的沉積不再是失控的、針狀的野蠻生長，而是在大量均勻分布的成核點上，緩慢、致密、平整地鋪展，從根本上杜絕了枝晶的形成。
第四，有效抑制副反應。由于鋅離子在電極表面的擴散速度受控變慢，與之競爭的水分子的活動（如析氫反應）也受到了顯著抑制。鋅離子轉移數測試顯示，標準2MZnSO?電解質在玻璃纖維隔膜電池中的轉移數僅為0.25，而在BTO（0.35）和PZT（0.49）隔膜電池中顯著提高。X射線衍射分析證實，在循環(huán)后，使用鐵電隔膜的鋅電極表面幾乎看不到副產物（如氫氧化鋅）的生成，而傳統(tǒng)隔膜的電極表面則有明顯的Zn?SO?(OH)?·xH?O峰。
這些機理上的優(yōu)勢最終轉化為了出色的電池性能。在Zn||Cu不對稱電池測試中，使用PZT隔膜的電池可穩(wěn)定循環(huán)1000次，庫侖效率保持在約100%，而使用玻璃纖維隔膜的電池在115次循環(huán)后就發(fā)生失效。在更具挑戰(zhàn)性的Zn||Zn對稱電池測試中，PZT隔膜電池在1mAcm?2電流密度下能夠穩(wěn)定循環(huán)超過3000小時（超過1500次循環(huán)）。即便將電流密度提高到5mAcm?2，其循環(huán)壽命也超過了1600小時（相當于4000次充放電循環(huán)）。作為對比，使用傳統(tǒng)玻璃纖維隔膜的電池在同樣條件下不到200小時便明顯失效。
（來源：Small）
團隊特別強調了數據的可靠性?！霸谖覀兊难芯恐校?000小時并不是我們測出的單個最好數據?！敝苌蠼忉尩?。為保證結果的可重復性，團隊測試了大量電池樣本，選取具有統(tǒng)計學意義的中間值作為報告數據。他們認為，推動一個領域健康發(fā)展的，應該是這種扎實、可信、可重復的研究。
為了驗證技術的實用性，團隊還進行了全電池測試。使用錳酸鋰（LMO，LiMn?O?）作為正極的Zn||LMO全電池中，PZT隔膜電池的充放電平臺間電壓間隙較玻璃纖維隔膜電池更大，表明正極極化程度更低。在倍率性能測試中，PZT隔膜全電池表現優(yōu)異：當電流密度從0.5C增加到5C時，容量保持率達到75%，明顯高于玻璃纖維隔膜電池的65%。在循環(huán)穩(wěn)定性測試中，PZT隔膜全電池在350次循環(huán)后容量保持率仍達85%，顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
當然，從實驗室走向工業(yè)化，挑戰(zhàn)依然存在。研究團隊坦言，目前最大的挑戰(zhàn)在于規(guī)?；a。實驗室采用的“一張一張做”的抽濾法雖然簡單，但效率低下，必須轉向類似于現代鋰電池隔膜生產的“卷對卷”連續(xù)化工藝。此外，在材料選擇上，性能優(yōu)異的PZT含有鉛元素，存在環(huán)保隱患且成本較高；而無鉛的BTO雖然環(huán)保且廉價，但性能稍遜一籌。未來在實際應用中，必須在性能、成本和環(huán)保之間進行合理權衡。
除了為水系鋅電池的產業(yè)化提供新的技術路徑之外，這項研究實際上也提出了一種全新的電池隔膜設計理念：讓隔膜從一個被動的絕緣組件，轉變?yōu)橐粋€能夠主動參與并調控電池內部電化學反應的功能平臺。這一思想具有很好的普適性，未來有望拓展到其他電化學儲能體系中。例如，利用其內建電場加速離子傳輸的特性，去解決全固態(tài)電池中固態(tài)電解質離子電導率低的核心瓶頸。
參考資料：
1.Li,X.etal.AMesoporousFerroelectricSeparatorforInnerHelmholtzPlaneHomogenizationEnablingZincAnodewithHighReversibility.Small(2025).https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202501855
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