近日，本团队郑加贤老师等人提出一种隔膜设计策略，在水系锌电池中应用的隔膜与Zn2+的结合强度应小于H+和H2O，从而促进Zn2+的扩散并抑制电极表面的析氢反应和副产物生成。经过对系列隔膜的筛选，得到具有上述特征的聚醚砜（PES）隔膜。PES隔膜表面丰富的S=O键能够诱导锌在电极表面均匀扩散和沉积。此外，PES隔膜有效抑制了电极表面的副反应过程。因此，采用PES隔膜组装的对称电池循环寿命超过4000 h（1 mA cm-2, 1 mAh cm-2），全电池循环寿命超过6000圈（3A g-1）。该文章以“Regulating Zn2+/H+ Selectivity through Functional Group Design of Separators for Long-lifespan Aqueous Zinc Batteries”为题发表在国际知名期刊Materials Horizons上。
研究亮点
1.本文提出了四种隔膜的特征模型，分别为Eb(H+) < Eb(Zn2+) > Eb(H2O) （对应GF隔膜），Eb(H+) > Eb(Zn2+) > Eb(H2O) （对应CA隔膜），Eb(H+) < Eb(Zn2+) < Eb(H2O) （对应PTFE隔膜），Eb(H+) > Eb(Zn2+) < Eb(H2O) （对应PES隔膜）。其中，当隔膜与Zn2+结合强度弱于H+和H2O时（PES隔膜），能够促进Zn2+扩散，避免大量H+在电极表面得电子还原和水分解反应，从而抑制电极表面的副产物生成过程。
图1. 隔膜设计模型与DFT计算
2.不同隔膜组装的电池性能表征
不同隔膜被用于组装锌对称电池，在不同电流密度下PES隔膜组装的对称电池均表现出更长的循环寿命。其中，在1 mA cm-2和1 mAh cm-2的测试条件下，用PES组装的对称电池循环寿命超过4000 h。PES隔膜有效提高了Zn2+转移数，并促进锌金属在电极表面均匀沉积，避免了锌枝晶生长和副产物的堆积，提高了锌金属在充放电过程的可逆性。
图2. 电池电化学性能及锌沉积形貌
3.核心结论
本文提出了四种隔膜与Zn2+、H+和H2O结合强度的模型，得出水系锌电池隔膜与Zn2+的结合强度应小于H+和H2O。通过筛选系列隔膜，得出PES隔膜相比玻纤隔膜具有更好的循环稳定性，有利于促进锌金属的均匀沉积/剥离和提高全电池的循环寿命。PES隔膜能够提高Zn2+迁移数，同时诱导锌金属均匀沉积并抑制电极表面的副反应过程，避免副产物堆积。该工作为水系锌电池的隔膜设计提供参考和借鉴思路。
4.文献信息
“Regulating Zn2+/H+ Selectivity through Functional Group Design of Separators for Long-lifespan Aqueous Zinc Batteries”. J. Zheng, A. sufyan, C. Li, Z. Han, X. Liu, Y. Zheng, A. Larsson, G. Huang, B. Wei, Z. Qi, Z. Wang, Q. Zhang and H. Liang, Mater. Horiz., 2025, DOI: 10.1039/D5MH00358J.
