摘要：

玻璃纤维（GF）作为锌金属电池中广泛使用的隔膜材料，其几何结构显著影响电池的循环性能。然而，其作用机制尚不明确。本研究深入剖析隔膜几何结构如何影响电池循环寿命，该寿命取决于两种相互竞争的失效机制：锌枝晶生长引发的内部短路，以及反复电化学循环导致的电荷转移效率衰减——这两者均受隔膜结构配置影响。由于这些失效机制的主导性随电池加工参数（如循环电流密度和容量）而变化，本文系统性研究为锌金属电池隔膜选择提供了指导。

图1.主导失效机制随循环电流密度和容量的变化示意图，及其对隔膜几何构型的依赖性。

文章简介：

水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性与低成本，在大型储能领域展现出广阔前景。作为AZIBs的关键组件，锌金属阳极具有超高理论体积比容量（5855 mA h cm^-3），这在一定程度上弥补了系统电压限制导致的能量密度损失。然而，锌枝晶引发的内部短路（源于锌电沉积不均）以及电化学循环过程中锌电极缺陷积累导致的非预期副反应（进而加剧极化效应），被视为阻碍锌金属阳极在实际电池应用中发展的主要障碍。

隔膜作为离子传输介质，能有效隔绝阴极与阳极的物理接触，对电池循环寿命具有关键影响。目前隔膜研发工作正多管齐下：既有对现有玻璃纤维（GF）进行功能化改造，也致力于开发具备理想性能的新型隔膜材料。近期，王教授团队通过对比滤膜、滤纸与GF中锌枝晶生长差异，发现均匀的孔隙结构分布能促进锌沉积均匀性。姚教授团队则研究了多孔与无孔隔膜条件下锌电镀/剥离行为，并设计出无孔PDMS-PEO膜以限制锌沉积在隔膜下方。这些研究表明隔膜的结构/配置确实影响电池循环性能。另一方面，玻璃纤维基隔膜仍是锌离子电池最常用的隔膜材料，其主要通过孔径大小和总厚度区分不同类型。然而，玻璃纤维结构对电池性能的影响仍不明确，且文献中不同研究对电池所选用的玻璃纤维隔膜存在差异，导致比较与评估困难。

在本研究中，我们采用市售玻璃纤维隔膜，系统研究了隔膜结构对锌电极循环寿命的影响。该隔膜体系为独立探究隔膜厚度与孔径对电极循环性能的影响提供了理想平台。通过剖析电池失效机制并检测各电池的电化学/结构特性，我们发现锌金属电极的循环寿命取决于两大失效机制的竞争作用：即锌枝晶生长引发的内部短路，以及反复电化学循环导致的电荷转移效率下降。我们进一步识别出隔膜结构配置的特征，这些特征能够抑制特定失效机制相关问题，从而延长电池循环寿命。

文章结论：

综上所述，我们发现树枝状晶体诱导的内部短路与低效电荷转移导致的极化现象，是锌电极的两种竞争性失效机制。当电化学电池的两个关键工艺参数（即循环电流密度和容量）发生变化时，主导失效机制也会随之改变。本研究还揭示：当短路成为主要失效机制时，采用孔径较小且厚度较大的隔膜能最有效抑制枝晶生长，从而延长电池循环寿命；而当失效机制转变为由低效电荷转移引发的极化时，则应选用孔径较大且厚度较薄的隔膜。本研究阐明了基于玻璃纤维的隔膜结构对锌电极电化学性能的影响，为锌离子电池研究中的隔膜选择提供了指导方针。

文章信息：

Features of Separator Configuration in Determining the Cycle Life of Zn Metal Anode

Jiangpeng Wang, Feng Lang, Zhijun Cai, Quan Li*

https://doi.org/10.1002/bte2.20240107