Hierarchical Cotton Pulp Fiber-Microfibrillated Cellulose Separator for Long- Cycle-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries
本研究提出了一种可生物降解的、具有层级结构的棉浆纤维-微纤化纤维素隔膜，该隔膜通过有效抑制枝晶生长和副反应，显著增强了水系锌离子电池的循环稳定性和机械性能。
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储能是现代由太阳能和风能驱动的世界中默默无闻的支柱。当阳光灿烂或微风拂过时，电力必须被捕获并储存起来以备后用，而这项任务目前由锂离子电池占据主导地位。虽然这些电池为我们的手机和汽车提供动力，但它们依赖于开采成本高昂且通常含有易燃液体的材料，后者可能会引发火灾。因此，科学家们正在寻找更安全、更廉价的替代方案，以应对为整个城市供电所需的巨大规模。一种极具前景的候选者是水系锌离子电池。这些设备使用水基液体来移动能量，使其本质上更加安全，并由丰富且低成本的材料制成。然而，就像一棵生长过快的幼树一样，这些电池内部的锌倾向于形成被称为“枝晶”的尖锐、针状突起。这些突起会刺穿电池正负极之间的屏障，导致电池失效或短路。为了让这些电池能够持久使用，研究人员必须找到一种方法来阻止这些突起的生长，并保持电池内部结构的完整。
新疆大学和天津大学的一个研究小组开发了一种全新的隔膜（或称分离器），专门用于解决这一问题。他们没有使用合成塑料或玻璃纤维，而是转向自然，利用纯棉创造出了一种隔膜。他们结合了两种形式的纤维素——即植物细胞壁的主要结构成分：棉浆纤维和微纤化纤维素。棉浆提供了长形的微米级纤维，而微纤化纤维素则由微小的纳米级细丝组成。通过将这两种材料混合并通过真空过滤，研究人员创造出了一种致密的、交织在一起的垫层。这种垫层具有分级结构，这意味着它拥有大小不一、协同工作的孔隙。较大的孔隙允许液体电解质快速流动，而致密的微细纤维网络则充当了抵御生长中的锌突起的坚固盾牌。
这种方法的实验结果在实验室中得到了精确的测量。这种新型棉基隔膜表现出了卓越的强度，其拉伸强度达到 23.36 兆帕，远超目前使用的标准玻璃纤维隔膜的 0.2 兆帕。这种强度至关重要，因为它能防止隔膜在电池组装过程中或在锌突起试图穿透时发生撕裂。该材料还能高效吸收电池的液体电解质，并允许锌离子平稳移动。当研究人员测试电池反复充放电的能力时，差异非常显著。配备了这种新型棉基隔膜的电池在恒定电流下运行了 1,200 多小时，而配备标准玻璃纤维隔膜的电池在仅 400 小时后就失效了。即使在更苛刻的条件下（即要求电池在狭小空间内存储大量能量时），棉基隔膜仍能让电池运行超过 200 小时而不发生故障，而玻璃纤维版本在不到 100 小时内就发生了短路。
通过在测试后对电池进行更深入的观察，揭示了棉基隔膜表现如此出色的原因。在配备标准玻璃纤维隔膜的电池中，锌金属生长成了粗糙、不平整的尖刺，损坏了隔膜并形成了杂乱的表面。相比之下，配备棉基隔膜的电池显示出平滑、扁平的锌层，这表明金属沉积得非常均匀，而不是形成危险的突起。棉材料还有助于减少可能堵塞电池的不良化学副产物的形成。当研究人员使用钒基材料构建完整的电池时，棉基隔膜帮助电池在 100 次循环后仍保留了约 83% 的容量，而标准隔膜则导致容量降至仅 17%。即使在高速运行 1,200 次循环后，使用棉基隔膜的电池仍保持了 92.4 毫安时每克的比容量。
这项工作表明，一种由棉花制成的简单、可生物降解的材料，在金属电池的严酷环境中可以超越复杂的合成替代品。研究人员发现，长纤维与纳米纤维的结合创造了一种既足够强韧以阻挡突起，又足够多孔以允许能量流动的结构。虽然论文指出在极高速度充电方面仍需进一步优化，但这些发现提供了一条清晰的前进路径。通过使用已经大量存在且廉价的可再生资源，这种方法为构建未来更安全、更持久的储能电池提供了一种可持续的方式。
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