湖北(běi)大學王賢保/陳易(yì)團隊Nano Energy，顯微觀(guān)察池助力天然柔性夾層構建2D納米流體(tǐ)通道，實現超穩定鋅陽極(jí)

DOI:10.1016/j.nanoen.2026.112239

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水係(xì)鋅離子(zǐ)電池因其高安全性(xìng)，低成本和(hé)環境(jìng)友好(hǎo)
性在大規模儲能領域備(bèi)受(shòu)關(guān)
注(zhù)
，但鋅負極麵臨枝晶生長，析氫，腐(fǔ)蝕和鈍化等嚴重問題(tí)，導(dǎo)致循環(huán)壽命短👅，庫侖效率低。本(běn)
研究從天然材料出(chū)
發，將(jiāng)
蒙脫石（MMT）納米片與纖維素(sù)納(nà)米纖維(wéi)
（CNFs）通過(guò)簡(jiǎn)
單的水相真空抽(chōu)濾法組(zǔ)裝成柔性(xìng)自支撐復合夾(jiā)
層（MMT-CNFs），置於隔膜(mó)與鋅(xīn)負極之間
。該夾層構(gòu)
建了獨特的2D納米流體限域通道，利用MMT納米片層間負電荷實現選擇性陽離子傳輸，同(tóng)時CNFs網絡(luò)提供機械支(zhī)撐並擴大層間距，協同促進(jìn)Zn²⁺去溶劑化，降低自(zì)由(yóu)水活性，均匀化電場及離子(zǐ)濃度(dù)分(fēn)布🛂。實驗(yàn)表(biǎo)明
，Zn||Zn對稱(chēng)電池在1 mA cm⁻²下穩定循環超(chāo)1400小時🐤，5 mA cm⁻²下超900小時
🚿；Zn||Cu半電(diàn)池(chí)800圈保持高庫侖效率
；Zn||V₂O₅和Zn||I₂全電池(chí)
均表現(xiàn)出優異的(dí)
倍率性能和長循環穩定性，其中高(gāo)
載碘電(diàn)池1600圈後容量(liáng)
保持率達85.5%。該(gāi)工作為低成本，綠色
，高(gāo)效的鋅負極保護提供了全新思(sī)路。

背景介紹

水係鋅離子電池憑借鋅(xīn)金屬的高理論體積容量🦣，資源豐富🖉，成本低廉，被認(rèn)為(wéi)是下一代大(dà)規模儲能技術的有力競爭者(zhě)。然而，鋅負極在實(shí)際充放(fàng)電過程中麵臨多重挑戰
：鋅枝晶的不可(kě)控生(shēng)長(cháng)可能刺穿隔膜導致短路(lù)；析氫反應(yīng)消(xiāo)耗活性物質並引發電池(chí)
脹氣；腐蝕和鈍化導致界麵阻抗增加，庫侖效(xiào)率降(jiàng)低
。

為解決上述問題(tí)，研究者們提出了(liǎo)三維集(jí)流體
，人工(gōng)SEI層(céng)🥍，功能性隔膜，電解(jiě)液添加劑等策略，但這些方法往往伴隨工藝復雜，成本增加或犧牲能量密度等弊端
。近年來
，夾層工程因其不改變電極本體(tǐ)和電解液配方，易於規模化集成的優勢脫穎而出。然而
🦯，現有夾(jiā)層多(duō)作為惰性物理屏障，鮮有集離(lí)子篩(shāi)分，去溶(róng)劑化(huà)促進🛦，電場均匀化，機械(xiè)增(zēng)
強於一體的多功能集成設計
🎳。受自然界蒙脫石(shí)層(céng)狀結構和(hé)纖維素(sù)網絡的啟發(fā)
🦉
，本研究(jiū)將兩(liǎng)
者復(fù)合
，利用2D納米流體限域效應實(shí)現選擇性離子傳輸與界麵穩定化的協同
，為鋅負極保護(hù)提供了綠(lǜ)色(sè)高效(xiào)的解決(jué)方(fāng)
案。

本文亮(liàng)點

（1）天然材料/綠色工(gōng)藝：全(quán)部采用自然(rán)界豐度高的蒙脫石和纖維素
，水相真空抽濾製(zhì)備，成本(běn)極低，工藝簡單，可規模化
🚇，WQ符合綠色可持(chí)續發展理(lǐ)念🦨。

（2）2D納米流體調控新(xīn)機製
：SC利用MMT-CNFs復合結構構建2D納米流體限域通道，通過MMT層間(jiān)負電荷實現Zn²⁺選擇性透過，同時CNFs擴展層間距提供快速離子通道，並協同促進(jìn)
去(qù)溶劑化
，從源頭(tóu)抑製枝晶和(hé)
副反應。

（3）超長循環(huán)壽命🖌：Zn||Zn對稱電池(chí)在1 mA cm⁻²下循環超1400小時
，5 mA cm⁻²下超900小時
；Zn||Cu半(bàn)電(diàn)池800圈穩定，Zn||I₂全電池1600圈容量保持率85.5%。

（4）超薄(báo)柔性

：夾層厚度僅約6 μm
，遠薄於傳統塗層，對(duì)
電池(chí)能量(liáng)密度影響(xiǎng)極小，兼具優異柔韌性和(hé)機械強度。

圖文解析



圖(tú)1：材料合成與結構表(biǎo)征

(a) 柔性MMT-CNFs復合膜(mó)的製備過程示意圖；(b) MMT晶(jīng)體(tǐ)結構示意圖；(c) MMT納(nà)米片的TEM圖像；(d) MMT納米片的AFM圖像(xiàng)


；(e) MMT納米片(piàn)的高度(dù)剖(pōu)
麵曲綫(xiàn)
；(f) MMT-CNFs復合(hé)膜表麵的(dí)
SEM圖像；(g) MMT-CNFs復合膜的截麵SEM圖像；(h) 不同組分的XRD譜圖；(i) 不同組分的FTIR譜圖；(j) 不同組分的XPS全譜。

圖1a展(zhǎn)示了一步(bù)法水相真空抽(chōu)濾製(zhì)備MMT-CNFs復合夾層的流程(chéng)。MMT經超聲-凍融剝離後得(dé)到厚(hòu)度僅~0.8 nm的單層納米片，AFM及Zeta電位(wèi)測試（圖S4）證實其表麵帶豐富負(fù)電荷。SEM顯示復合膜形(xíng)成致(zhì)密的二維納米片有序堆疊結構，不同(tóng)
於(yú)
商用玻纖(xiān)隔膜的(dí)微米級大孔。截麵SEM圖顯示膜厚僅~6 μm，遠薄於傳統塗層🎄，最大限度降(jiàng)低對(duì)
能(néng)量(liáng)密度(dù)的(dí)影響。XRD圖譜中(zhōng)MMT-CNFs的(001)峰(fēng)向(xiàng)低角度偏移(yí)，證實CNFs插層擴(kuò)大了MMT層間距；FTIR圖中O-H及C=O峰顯(xiǎn)著增強，XPS（圖1j）中C，O信號明顯增強

，共(gòng)同(tóng)證實了MMT與(yǔ)CNFs的成功復合和界麵相互作用。



圖2
：MMT-CNFs夾(jiā)層對(duì)
鋅負極穩定性的提升及沉積形貌調控

(a) 不同夾層下Zn||Zn對(duì)稱(chēng)電池在1 mA cm⁻²

，1 mAh cm⁻²下的電壓-時(shí)間曲綫；(b) 有無(wú)夾層下Zn||Zn對稱電池在5 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²下的電壓-時間曲綫；(c) 不同電流密度下的倍率性能；(d) 1 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²下的(dí)成核過電位對比🍫
；(e) 阻抗譜；(f, g) 鋅負極在4 mA cm⁻²沉積2 h後的SEM圖像(xiàng)；(h) 原位光學顯(xiǎn)微鏡圖像📋。

通過優化MMT:CNFs質量比，當比(bǐ)例為1:1時性能ZY，1 mA cm⁻²下(xià)穩定循(xún)環1400小時(shí)🕰，5 mA cm⁻²高電流密度下仍超900小時
，電壓滯後小且無短路跡象，倍率性(xìng)能(néng)優異。引入夾層(céng)後(hòu)成核過電位從(cóng)113 mV降至91 mV🃊，界麵電(diàn)荷轉(zhuǎn)移阻抗顯著降低(dī)，歸因於MMT表麵負電荷和CNFs含氧官能團提供的大量親鋅位點
，促進Zn²⁺均匀成核。無(wú)夾層時鋅(xīn)沉積(jī)呈鬆(sōng)散枝晶狀，引入夾層後轉變為致密(mì)平整的層狀沉積。原位光學顯微鏡(jìng)直觀顯示(shì)，無夾層時60 min內枝晶大量生長😤
，而有(yǒu)夾層時始終保持(chí)
平整(zhěng)沉積，直接證實了夾層對枝晶的顯著抑製效果。



圖3
：Zn||Cu半電池(chí)
的庫侖效率及沉積形貌

(a) 有無夾層下Zn||Cu半電池在(zài)鋅沉積/剝離過程中的庫侖效率對(duì)比；(b, c) 在1 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²下不同循環圈數的容量-電壓曲綫；(d, g) 在1 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²下50圈循環後銅電極(jí)表(biǎo)麵SEM圖像🐰；(e, h) 在4 mA cm⁻²沉積2 h後(hòu)銅電極表麵SEM圖像；(f, i) 沉積後的(dí)截麵(miàn)SEM圖(tú)像及對應厚度。

引入夾(jiā)層後Zn||Cu半電池在1 mA cm⁻²下穩定循環800圈以上，而對照(zhào)組約(yuē)100圈(quān)後即波動失效。充放(fàng)電(diàn)曲(qū)
綫顯示有夾層時電壓極化幾(jī)乎不變，反映(yìng)界麵高度(dù)穩定和反應可逆
。0圈後(hòu)無夾(jiā)層銅(tóng)電(diàn)
極表麵覆蓋疏鬆多孔枝晶，而有夾層時表麵(miàn)
光滑(huá)平整。大沉積容量下，無夾層時(shí)沉積呈苔蘚狀鬆散結構，厚度(dù)高達47 μm；有夾層時沉積層致密光滑
，厚(hòu)度僅~18 μm，證實夾層從(cóng)根本上將沉積模式從隨機枝晶生長轉變為二維平麵致密(mì)沉積。



圖(tú)4：MT-CNFs夾層的離子(zǐ)篩(shāi)分及鋅離子富集機理

(a) MMT-CNFs夾層工作機理示(shì)
意圖；(b) 有無夾層下的離子滲透(tòu)濃度曲綫；(c) 在1 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²下50圈循(xún)環後鋅負極(jí)的XRD譜圖；(d, e) MMT-CNFs夾層在電(diàn)解液浸泡前後的O 1s和Zn 2p XPS譜圖；(f, g)在(zài)1 mA cm⁻²🤾，1 mAh cm⁻²下50圈循環後有無夾層鋅負極表麵的AFM圖像。

圖4a示意了夾層的核(hé)心工作機製：2D納米(mǐ)流(liú)體通道 + 負(fù)電荷排斥陰離子 + 親(qīn)鋅(xīn)位點促(cù)進去溶劑(jì)
化。滲透實驗顯示(shì)有(yǒu)夾層時滲透液中Zn²⁺/SO₄²⁻濃(nóng)度比遠(yuǎn)高於無(wú)夾層，證實MMT-CNFs夾(jiā)
層能高效選擇性傳輸Zn²⁺同(tóng)時(shí)排斥SO₄²⁻陰離子🎈。XRD圖譜(pǔ)顯示(shì)有(yǒu)夾層(céng)時鋅負極表麵鹼式硫酸鋅(xīn)副產物(wù)峰顯(xiǎn)著減弱，證(zhèng)實了陰離子篩(shāi)分對副反應(yīng)的抑製(zhì)作(zuò)用。

XPS（圖4d-e）顯示(shì)浸泡後O 1s峰向高結合能位移(yí)並出(chū)現Zn-O特征峰（530.6 eV），Zn 2p出現明(míng)顯(xiǎn)Zn²⁺信號
，證實MMT-CNFs能有效吸附富集Zn²⁺。AFM顯示有(yǒu)夾層時循環後鋅表麵(miàn)平整光滑
，無枝晶突起，進一步證實了其調控效(xiào)果。



圖5：理論計算與離子(zǐ)傳輸(shū)動力學(xué)分析

(a)MMT和(hé)
CNFs的靜電勢分布圖；(b) Zn²⁺在不同組分上結合能的DFT計算(suàn)；(c) 有無夾(jiā)層下Zn||Zn對稱電池的去溶劑(jì)化(huà)活化(huà)能(néng)

；(d) 計時電流（CA）曲綫👼；(e, f) 極化前後Zn||Zn對稱(chēng)
電池的電流-時間曲綫及(jí)阻抗譜；(g) Tafel曲綫；(h) LSV曲綫；(i) 有鋅負極表麵的電場和(hé)離子場COMSOL模擬。

靜電勢分析顯示CNFs表麵羧基/羥基形成多個電負性區域，剝離MMT也呈現高(gāo)
負電勢(shì)分(fēn)布。結合能計算證實MMT-Zn²⁺和CNFs-Zn²⁺遠大於H₂O-Zn²⁺🗹，從(cóng)理(lǐ)論(lùn)上解釋了對Zn²⁺的強吸附及去溶劑化促進作用。變溫EIS擬合顯示引(yǐn)入夾層後去溶劑化活化能從29.47降至15.59 kJ mol⁻¹。CA曲綫顯示有夾層時(shí)電流快速穩定，而對照組持續變化
。Zn²⁺遷(qiān)
移數(shù)從0.22顯著提升至0.47，有(yǒu)

利於(yú)緩解濃差極化。Tafel圖顯示腐蝕電流密度從0.059降至0.027 mA cm⁻²；LSV圖顯示析氫(qīng)電位區間電流響應顯著降(jiàng)低，證(zhèng)實夾層有效(xiào)
抑製了腐蝕和析氫。無夾(jiā)層時電場和Zn²⁺濃度在突起處(chǔ)高度集中；有(yǒu)夾層時兩者被有效均匀化，從宏觀尺度(dù)解釋了枝(zhī)晶抑製的物理根源
。



圖6👑：Zn||V₂O₅與Zn||I₂全電池性能

(a) 有無夾(jiā)
層下Zn||V₂O₅全電池的CV曲綫🥍；(b) 在2 A g⁻¹下20圈後(hòu)的阻(zǔ)抗譜(pǔ)
；

(c) 倍(bèi)率性能(néng)；(d) 在不同電(diàn)流密度下的充放(fàng)電曲(qū)綫

；(e) 在(zài)2 A g⁻¹下的長期循環性能(néng)；

(f) 有無夾層下Zn||I₂全電池的倍率性(xìng)能；(g) 在2 A g⁻¹下的長期循環性能；(h) 有(yǒu)無夾層下H型玻璃電解(jiě)池中電解質(zhì)滲(shèn)透的(dí)光(guāng)學照片；(i) 不(bù)同鋅負極穩定化策略的(dí)對比雷達圖🗌
。

CV圖(tú)6a顯示引入夾層後氧化還(huán)
原峰更尖銳，反(fǎn)應可逆性提(tí)升🗦。EIS圖譜(pǔ)顯示電荷轉(zhuǎn)移阻抗(kàng)顯著降低。倍(bèi)率和長循環測試表明，有夾層時在2 A g⁻¹下經1000圈容(róng)量保持穩定，初始容量達258.3 mAh g⁻¹，而無夾層僅約100圈即失(shī)效(xiào)。倍(bèi)率(shuài)性(xìng)
能(néng)和長循環顯示有夾層時在2 A g⁻¹下可逆(nì)容量151.3 mAh g⁻¹，1600圈後容量保持率85.5%
。H型滲透實驗（圖6h）直觀顯示有夾層(céng)時(shí)I₃⁻（多碘離(lí)子）的穿梭被(bèi)有效抑製，歸因(yīn)於MMT/CNFs負電荷(hé)對(duì)陰離子的靜電排斥(chì)和2D納米通道(dào)
的物理篩分協同(tóng)作用。

總結與展望

本研究利用天然蒙脫石和纖維素納米纖(xiān)維，通過(guò)
簡單的真空抽濾(lǜ)法製備了(liǎo)MMT-CNFs柔性自(zì)支撐復(fù)
合夾層，成功應用於鋅負極保護。該夾層通過構建2D納米流體限域通道

，實現(xiàn)了多重協同功能：（1）MMT層間負(fù)
電荷選擇(zé)性傳(chuán)輸Zn²⁺並排斥(chì)SO₄²⁻，抑(yì)製副反應；（2）CNFs擴展(zhǎn)層間距提供快速離子通道🔔，親鋅位點(diǎn)促(cù)進去溶劑化，降(jiàng)低(dī)活化能；（3）電(diàn)
場和離子濃度均匀化，引(yǐn)導致密(mì)平麵沉積，CD抑製枝晶。得益於此，Zn||Zn對稱電池循環壽命突破1400小時
，Zn||Cu半電池800圈庫侖效率穩定，Zn||V₂O₅和Zn||I₂全電池均表(biǎo)現出(chū)ZY的倍(bèi)率和長循環性能。該策(cè)略原(yuán)料天然豐度高
💚，工藝簡單，成本低廉，可規模化，WM兼顧了性能，成本與環保，為水係鋅(xīn)離子電池的產業化提供了JJ競爭力的解決方案，也為其他金屬負極的界麵(miàn)保護提供了通(tōng)用性設計(jì)
思(sī)路。

本文使用(yòng)的原位顯微觀察池由合肥原位科技有限公司研發，感謝老師(shī)
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通訊作者簡介

王賢保，湖北大學新能源(yuán)與電氣工(gōng)程學院教授(shòu)，博士(shì)生導師，教育部功能材料綠色製備與應用重點實驗室(shì)主任(rèn)
。現(xiàn)任材(cái)料科(kē)學與工程學院書記，研究生(shēng)院(yuàn)院長，新能源與(yǔ)電氣工程(chéng)
學院院長，教育部“新世紀優(yōu)
秀人才支持計(jì)劃"入選(xuǎn)者🌎。2002年(nián)獲中國科學(xué)
院化學(xué)研究所理學博士學位(wèi)


，師從朱道本和劉雲圻(qí)院士(shì)
，後赴比利時魯汶大學(xué)
從(cóng)
事(shì)
訪問學者(zhě)研究。2004年回國晉升教授，擔任教(jiào)育部“功(gōng)能(néng)材料(liào)綠色製備與應用"重點實(shí)驗室副主任，湖北省“材(cái)料科學與技術"優(yōu)勢特色(sè)學科群(qún)SX負責(zé)
人
。主(zhǔ)要從事新能源材料與器件🦺
，納米功能復合材料等領域(yù)的研究工作🀦
。長期從事碳納米材料(liào)，太陽能轉換與利用(yòng)研究(jiū)，主持973計劃(huá)，國家自然科學(xué)基金等項目(mù)。在(zài)《Matter》等期刊發表(biǎo)論文200餘篇，獲ZL近20項🌖
。

陳(chén)易，湖北大學新能源與電氣工(gōng)程學院副教(jiào)授，碩士生導師。主要研究方向為(wéi)水係鋅離子(zǐ)電池，二(èr)維材(cái)
料及(jí)其能源應用(yòng)
。近(jìn)年來以第一/通訊作(zuò)
者在Nano Energy，Adv. Funct. Mater.
，ACS Nano，Small等期刊發表SCI論文20餘篇🔇。主持(chí)國家自然科學(xué)基金青年項目，湖北省自然科學基金等多項(xiàng)課(kè)
題
。