通过调控离子流速和脱溶动力学，利用碳量子点实现协同界面工程，从而制备无枝晶结构的锌阳极

《Journal of Colloid and Interface Science》：Synergistic interface engineering with carbon quantum dots for dendrite-free zinc anodes via regulated ion flux and desolvation kinetics

水系锌离子电池因安全性和高离子导电性成为研究热点，但锌枝晶生长和副反应制约了其应用。本研究通过将碳量子点（CQDs）整合到纤维素乙酸（CA）基体中，制备出CA-CQDs复合隔膜。该隔膜具有致密均匀的微结构、丰富的锌philic官能团和高机械强度，有效调控Zn2?传输路径与界面反应，使对称Zn-Zn电池循环寿命超2000小时，并在Zn/V?O?全电池和Zn/AC混合电容中展现出优异的速率性能。

　　

高莎莎|王婷|毛菲菲|何春荣|邵功雷|刘鹏高

河南省微电子与能源重点实验室，信阳师范学院物理与电子工程学院，中国河南省信阳市464000

摘要

水系锌离子电池（AZIBs）是一种有前景的环保储能系统，但其实际应用受到锌枝晶无控制生长和副反应等问题的阻碍。本研究设计了一种由醋酸纤维素（CA）和碳量子点（CQDs）组成的柔性复合隔膜，以解决这些挑战。该CA-CQDs隔膜具有致密均匀的微观结构、丰富的亲锌官能团以及较高的机械强度。理论和实验分析表明，这种隔膜能够均匀锌离子（Zn²⁺）的传输，加速离子传输动力学，降低锌离子脱溶的能量障碍，并有效抑制枝晶的形成。因此，使用CA-CQDs隔膜的Zn||Zn对称电池在1 mA cm^?2的电流下循环稳定性超过了2000小时。当将其用于Zn||V₂O₅全电池和Zn||AC混合电容器中时，该隔膜还提升了电化学动力学和倍率性能，证实了其实际应用价值。这项工作通过将CQDs与低成本生物材料结合，提出了一种有效的隔膜设计，为高性能、可持续的储能技术提供了可行路径。

引言

可再生能源的发展依赖于建立安全、经济且可持续的电化学储能系统[1]、[2]。其中，水系锌离子电池（AZIBs）是一种极具前景的技术，它利用了金属锌阳极和水基电解质的固有安全性和高离子导电性[3]、[4]、[5]。然而，锌阳极存在枝晶生长、氢气释放和表面腐蚀等负面问题，导致性能下降和循环稳定性差。尽管已经开发出诸如阳极改性[6]、[7]、电解质优化[8]、[9]以及水凝胶电解质[10]、[11]等策略来缓解这些问题，但隔膜工程提供了一个关键的多维度解决方案。通过调节离子传输路径和界面微观环境，隔膜可以补充其他方法[12]、[13]。虽然玻璃纤维（GF）是最常用的AZIB隔膜，但其机械强度不足、孔隙率不规则、成本高且环境影响较大，限制了其性能和可扩展性[14]。因此，基于亲水性聚烯烃和纤维素的新型隔膜作为有前景的替代品出现，它们具有更好的机械性能和可控的离子传输[15]、[16]、[17]。

其中，纤维素是一种天然、丰富且可再生的生物质材料，作为隔膜具有低成本、高机械强度、生物相容性、可生物降解性和易于化学改性的优点[18]、[19]、[20]。除了高性能棉纤维外，醋酸纤维素（CA）作为纤维素的衍生物，表现出优异的成膜能力、电绝缘性和环境友好性。CA可以形成均匀、致密且多孔的薄膜，其上的乙酰基团增强了分子间的相互作用，赋予隔膜更高的拉伸强度和柔韧性，并提高了对锌枝晶渗透的抵抗力，使其成为理想的隔膜材料[21]、[22]。基于碳的材料同样具有吸引力，因为它们具有优异的导电性、结构稳定性和可调的表面特性以及环保性[23]、[24]。其中，碳量子点（CQDs）作为一种新兴的零维纳米材料，由于其独特的结构和丰富的表面官能团，在提高库仑效率、延长循环寿命和抑制锌枝晶生长方面表现出显著效果[25]、[26]、[27]。

为了协同利用这些优点，我们创新地将CQDs融入醋酸纤维素基质中，通过溶液浇铸法制备了CA-CQDs复合隔膜。在这种设计中，表面极性基团增强了隔膜的润湿性和离子传输效率，而亲锌基团提供了吸附锌离子（Zn²⁺的成核位点，促进了均匀沉积并消除了“尖端效应”。此外，带电基团调节了溶剂化结构，从而抑制了水引起的副反应。这种协同优化显著提升了电化学性能。使用CA-CQDs隔膜的Zn||Zn对称电池在1 mA cm^?2的电流下循环寿命超过了2000小时。当将其用于Zn||V₂O₅全电池和Zn||AC混合电容器中时，这些设备表现出更好的动力学和倍率性能。本研究通过结合低成本生物材料和CQDs，实现了隔膜机械性能、界面稳定性和离子传输效率的协同优化。

材料

材料

淖毛湖煤（新疆哈密）、醋酸纤维素（CA，Aladdin）、乙酸乙酯（EA，Aladdin）、过氧化氢（H₂O₂，30%，天津天利化学试剂有限公司）、三氟甲磺酸锌（Zn(CF₃SO₃)₂/Zn(OTF)₂，Aladdin）、锌箔（100 μm，Cyber Electrochemical Materials Network）、铜箔（20 μm，Canrd Technology有限公司）、钛箔（20 μm，Canrd Technology有限公司）、商用活性炭（YEC-8 A，福州亿环炭业有限公司）、五氧化二钒（V₂O₅，Aladdin）

CA-CQDs隔膜的合成与表征

图1a示意性地展示了CA-CQDs复合隔膜的制备过程。CQDs通过预氧化、氧化切割和透析纯化等步骤从淖毛湖煤中制备（见图）[28]。透射电子显微镜（TEM）显示，合成的CQDs是分散良好的球形颗粒，粒径分布为2–5 nm，平均直径为2.68 ± 0.02 nm（见图）。为了制备复合隔膜，首先将CQDs分散在...

结论

在本研究中，通过溶液浇铸和相转化方法将CQDs引入醋酸纤维素（CA）基质中，制备了复合隔膜。CQDs的引入不仅改善了隔膜的表面形态，还增强了其机械强度。所得到的CA-CQDs-1隔膜具有0.46 mS cm^?1的高离子导电性和0.69的优异锌离子传输数，这归功于其定制的物理化学性质。

作者贡献声明

高莎莎：撰写 – 原稿撰写、研究、数据分析、概念化。 王婷：软件开发、方法论设计、数据管理。 毛菲菲：研究工作。 何春荣：方法论设计、研究工作。 邵功雷：撰写 – 审稿与编辑。 刘鹏高：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22208273）、新疆大学碳基能源资源化学与利用国家重点实验室专项基金（KFKT2022ZD-00006-1）、新疆维吾尔自治区天池人才计划、信阳师范学院南湖学者计划以及信阳师范学院分析测试中心的共同支持。