硕士生于青秀在《Advanced Materials》上发表文章

研究内容

水系锌碘电池（SAZIBs）凭借其成本低、安全性高、原料丰富等优势，在大规模储能领域展现出巨大潜力。然而，其实际应用长期受困于两个核心难题：一是阴极反应中间产物多碘化物（如I3-）易溶解并穿梭至锌负极，引发活性物质损失和负极腐蚀，即穿梭效应；二是锌负极在深度放电条件下易产生枝晶、发生析氢副反应，循环可逆性差。这两个问题在高碘负载下变得尤为严重，严重限制了电池的性能与寿命。传统方案通常需要对正、负极分别进行复杂的结构修饰，牺牲了电池体系的简洁性与集成优势。

2026年1月21日，济南大学徐锡金教授在《Advanced Materials》上发表了题为“A Gradient Functionalized Separator for Unlocking Latent Cathode Host Sites and Enhancing Zinc Anode DOD in Ultrahigh-Areal-Capacity Static Zn-I2 Batteries”的研究论文。该工作创造性地设计了一种具有梯度结构的氰基功能化氮化碳（CCN）改性隔膜（G-CCN@GF），通过单一隔膜组件，实现了对正极多碘化物穿梭和负极锌沉积行为的双向协同调控，为开发高能量密度、长寿命的静态锌碘电池提供了全新的、切实可行的隔膜工程策略。

研究的核心创新在于隔膜的梯度功能化设计，采用两步高温聚合法成功合成了二维氰基功能化石墨相氮化碳（CCN）。氰基（-CN）作为强吸电子基团，显著降低了C3N4共轭骨架的电子云密度，增强了其路易斯酸性，从而大幅提升了其对多碘化物阴离子的化学吸附与锚定能力。团队将CCN纳米片通过真空抽滤和喷雾涂覆的方式，非对称地修饰在玻璃纤维（GF）隔膜两侧：面向碘正极的一侧是致密的CCN层，旨在强力捕获多碘化物；面向锌负极的一侧则是稀疏且均匀的薄层CCN，旨在调控Zn2+通量。

这种梯度设计发挥了一石二鸟的协同功效。在正极侧，致密的CCN层不仅通过强吸附有效抑制了多碘化物的扩散流失，更关键的是，其诱导形成的反向浓度梯度（I3-向正极侧富集）和独特的CCN-PIs界面相，激活并利用了传统活性炭宿主材料表面潜在的电化学反应位点，显著提升了高碘碳比（I/C）条件下的转化反应动力学。有限元模拟和动力学分析（如弛豫时间分布DRT）证实了这一点。在负极侧，均匀的薄层CCN促进了Zn2+的均匀通量分布，引导了锌的平面致密沉积，有效抑制了枝晶生长和副反应，从而显著提升了锌负极在高放电深度（DOD）下的循环可逆性。

    得益于该梯度隔膜的卓越性能，使用常规低成本活性炭（AC）作为宿主的Zn/G-CCN@GF/I2全电池，即使在高达2:1的I/C比条件下也表现出色。在150.1 mg cm-2的超高碘负载下，电池实现了创纪录的27.9 mAh cm-2面积容量，基于碘质量的比容量保持在186.1 mAh g-1，证明了活性物质的高效利用。在40 mg cm-2负载下，电池展现出超长的循环稳定性，经过7200次循环后容量保持率高达98.87%，且库仑效率稳定在约99%。原位拉曼、紫外-可见光谱和电化学阻抗谱等表征手段直观地证实了G-CCN@GF隔膜对多碘化物穿梭的有效抑制和对界面反应动力学的提升。

为验证其实用性，研究团队进一步组装了面积为60 cm2的软包电池。该软包电池在33.3 mg cm-2的碘负载下，初始面积容量达6.7 mAh cm-2，稳定在5.8 mAh cm-2，经过1100次循环后容量保持率仍为85.87%（测试时长超过154天）。红外热成像显示，采用G-CCN@GF隔膜的软包电池表面温度分布极为均匀，无局部热点，印证了其内部电化学反应和电流分布的均一性。基于电池总质量和活性碘质量计算的能量密度分别达到25.6 Wh kg-1和230.9 Wh kg-1，展示了优异的实际应用前景。

研究亮点

1、首创梯度功能化隔膜，致密CCN层面向正极强力锚定多碘化物、激活反应位点；稀疏CCN层面向负极引导Zn2+均匀沉积，通过单一组件协同解决正、负极核心难题。

2、氰基功能化策略精准调控C3N4电子结构，增强路易斯酸性，实现多碘化物的强吸附与快速转化动力学，支撑电池在150.1 mg cm-2超高负载下获得27.9 mAh cm-2的面积容量。

3、大面积（60 cm2）软包电池在1100次长循环后容量保持率超85%，且表面温度分布均匀，能量密度显著，有力证明了该隔膜工程策略的实际应用可行性与可靠性。

图文速览

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图1 CCN和G-CCN@GF隔膜的合成与表征

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图2 高碘负载下的电化学反应机理研究

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图3 优化I/C比下Zn/G-CCN@GF/I2电池的电化学性能评估

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图4 穿梭抑制与界面调控的原位与非原位表征

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图5 锌负极稳定性与沉积行为研究

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图6 软包电池性能与实际应用潜力

研究结论

本研究通过精巧的梯度隔膜设计，将氰基功能化C3N4的非对称修饰与电池运行需求精准匹配，成功实现了对锌碘电池正、负极界面的双向协同优化。该工作不仅揭示了功能隔膜通过调控反应物浓度梯度和界面微环境来激活宿主材料潜在活性位点的新机制，更提供了一条通过单一、易加工的隔膜工程来同步提升电池能量密度、循环寿命和稳定性的实用化路径。所展示的超高面积容量、超长循环稳定以及软包电池的优异性能，充分证明了该策略在推动高能量密度水系锌基电池走向实际应用方面的巨大潜力。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202523132

全文来源：新能源前沿公众号

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