隔膜在水系電解質(zhì)中的溶脹會導(dǎo)致離子通量不均勻和枝晶傳播不規(guī)則，與此同時相應(yīng)的現(xiàn)象和緩解策略很少被研究。

圖1 Zr-CNF的制備及表征

湖南大學(xué)汪朝暉、西北工業(yè)大學(xué)馬越等以納米纖維素隔膜為代表，研究了水系鋅離子電池隔膜溶脹引起的孔結(jié)構(gòu)變化問題。具體而言，作者通過原位水解Zr⁴⁺，開發(fā)了一種由Zr⁴⁺水解產(chǎn)物包被的納米纖維素（Zr-CNF）組成的多功能隔膜。

研究顯示，原位形成的含Zr-O的無定形涂層與纖維素納米纖維交聯(lián)，屏蔽了納米纖維素表面的氫鍵，擴(kuò)大了納米纖維素網(wǎng)絡(luò)的孔徑，抑制了隔膜在水系電解液中的溶脹和變形，同時確保了Zn²⁺通量的均勻性。

圖2 半電池性能

此外，無定形的Zr-O涂層不僅作為物理屏障防止枝晶的生長，而且還誘發(fā)了界面極化效應(yīng)，在界面周圍產(chǎn)生了均勻的定向電場。這種效應(yīng)加速了Zn²⁺的傳輸，降低了成核過電位，促進(jìn)了Zn沉積的均勻成核，并抑制了鋅金屬的腐蝕。

因此，使用Zr-CNF隔膜，在10 mA cm^-2的高電流密度和容量為2 mAh cm^-2下，電池的壽命達(dá)到700小時，，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其同類產(chǎn)品。此外，Zr-CNF隔膜使基于V₂O₅的全電池和Zn//AC電容器具有顯著的倍率和循環(huán)性能。這項研究為高性能水基金屬電池的穩(wěn)定隔膜的設(shè)計和開發(fā)提供了見解。

圖3 全電池性能

Designing Anti-Swelling Nanocellulose Separators with Stable and Fast Ion Transport Channels for Efficient Aqueous Zinc-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202304280