通过超薄纸实现无树突锌阳极的界面电荷积累，用于稳定且高功率的锌SSB蓄电池

2026-07-28 20:37:00

水性锌离子电池（AZIBs）因其低成本、安全性和可持续性，在电网级储能方面具有前景。然而，锌金属阳极的实际应用受树突生长、不均匀的电镀/剥离以及界面侧反应的阻碍，这些都源于锌不足²⁺电极界面的浓度。本研究引入了一种根本不同的界面电荷积累（ICA）机制，该机制由超薄（3微米）细菌纤维素-石墨烯（BGr）复合纸实现，并通过可扩展造纸工艺制造。与仅作为物理屏障的传统保护层不同，BGr论文独特地将带负电的细菌纤维素网络与高导电石墨烯片整合，主动富集界面锌²⁺浓度提升3.1倍，均质离子通量，并促进无树突、（002）组织锌沉积。这种基于ICA的设计同时解决了阳极不稳定性的根本原因——集中极化和局部电流密度——同时保持了快速的电荷再分布和抑制寄生反应。因此，对称的Zn||锌电池在5毫安厘米时实现了超过2300小时的卓越循环稳定性⁻²库仑效率为99.5%。更重要的是，V₂O₅||锌袋电池能达到191.04 Wh kg的高能量密度⁻¹200次循环后容量保留率为84%，体积能量密度为249.52 Wh L。⁻¹.值得注意的是，ICA战略还展示了对锂和钠金属负极的通用适用性，使BGr纸成为下一代高功率耐用金属电池的多功能平台。

简介

电网储能在实现可持续和清洁能源的有效利用方面发挥着至关重要的作用[[1]，[2]，[3]，[4]，[5]]。与传统储能方式如热储能和抽水蓄能相比，可充电电池具有显著优势，包括更高的能量转换效率、更高的能量密度以及增强的电力管理能力[[6]， [7]， [8]， [9]， [10]]。鉴于可再生能源的间歇性，具有高功率密度和强健循环性能的电池对于快速输送能源至关重要——通常在几秒钟内——并提升电网在高峰需求期的可靠性[[11]， [12]， [13]]。因此，预计到2050年，全球对基于电池的电网储能系统的需求将达到4500吉瓦时。
在此背景下，水性锌离子电池（AZIBs）因其低成本、固有安全性、丰富的锌资源和环保特性，成为下一代电网应用中锂离子电池的有前景替代品[[14]、[15]、[16]、[16]、[17]、[18]、[19]]。为了实现更高的能量密度，锌金属因其理论比容（820 mAh g）较高，被认为是AZIB的理想阳极材料⁻¹/5855毫安时厘米⁻³）以及低氧化还原电位（−0.76 V对SHE）[[20]，[21]，[22]，[23]]。然而，尽管有这些优势，锌金属阳极仍面临着限制其在长期循环稳定性和高功率密度应用中性能的重大挑战。树突形成、锌镀层不均、剥离不均以及表面钝化等问题导致库仑效率低下、内阻增加、短路和快速容量衰减，最终降低电池性能和寿命——尤其是在高强度循环和高速条件下 [[24]， [25]， [26]， [27]， [28]， [29]]。
为克服这些障碍，已探索多种策略稳定锌阳极，包括界面工程、电解质优化以及先进分离器[[30]， [31]， [32]， [33]， [34]]。其中，在锌阳极上有意构建人工固体电解质界面（SEI）或夹层被证明尤为有效。这种方法形成了一个稳定且均匀的保护屏障，通过均匀化电场、钝化表面并增强机械稳健性，调节了离子通量和界面上的机械应力。通过创造这种受控环境，人工SEI可以防止锌沉积不均，抑制树突生长，并最小化与电解质的侧面反应——从而提升结构完整性和离子传输动力学，实现更高效、更稳定的电池运行[[35]， [36]， [37]]。然而，许多现有策略在高速率下离子传输量减少，限制了其在长期循环和高功率密度锌电池等严苛条件下的有效性。
本文报告了一种由可扩展的超薄（3微米）细菌纤维素-石墨烯（BGr）复合纸实现的界面电荷积累（ICA）机制，用于耐用的高速率锌金属阳极。ICA机制源自BGr论文中的带负电细菌纤维素（BC）网络，该网络有效吸附并富集锌²⁺实现界面锌的3.1倍增长²⁺集中注意力。这与高度导电的石墨烯片协同作用，后者促进快速电荷转移和离子再分布。这一集成设计直接解决了界面锌的根本问题²⁺耗尽和浓度极化，同时均质离子通量和电场，诱导无树突、（002）组织的锌沉积。因此，受 BGr 保护的对称锌电池在 5 mA cm 下具有超过2300小时的卓越循环稳定性⁻²库仑效率高达99.5%，同时在当前密度高达20毫安厘米下保持稳定运行⁻².此外，组装后的V型₂O₅||锌袋电池可实现高能量密度191.04 Wh kg。⁻¹以及249.52 Wh L⁻¹，在200个周期后仍保留了84%的初始容量。值得注意的是，ICA策略具有普遍适用性，显著提升了锂和钠金属负极的循环稳定性，从而使BGr纸成为新一代高功率耐用金属电池的多功能平台技术。这些发现不仅克服了锌金属阳极长期存在的性能限制，还为通过界面电荷调节设计先进储能材料奠定了新范式。