刘宇/迟晓伟EES：亲疏水平衡的无机/有机混合隔膜实现高可逆性和可回收的锌金属电池

基于锌金属负极的水系电池具有高比能、固有安全性和低成本等优点，在可扩展储能方面具有很大的潜力。然而，锌负极的可逆性差，特别是在高锌利用率的条件下，其循环稳定性有限。

在此，中国科学院上海硅酸盐研究所刘宇研究员&迟晓伟副研究员团队设计了一种新的无机/有机杂化隔膜（P/FS-Z），由疏水性PTFE基体，亲水性气相二氧化硅填料和锌盐组成。通过对其亲疏水性的精细平衡，P/FS-Z隔膜在Zn²⁺的脱溶、电解质的pH、界面的亲疏水性三个方面的调控下，表现出更加平衡的传质能力和可控的界面反应。新开发的P/FS-Z隔膜具有高达12 000 mA h cm^-2的超高Zn累积沉积容量，并且在80% Zn DOD下具有700 h的长期循环寿命。

更重要的是，P/FS-Z隔膜由于其固有的高机械强度和电化学稳定性是完全可回收的。此外，该工作还展示了实际条件下的高比能软包电池和柔性软包电池，分别用于储能和可穿戴设备。

图1. P/FS-Z 隔膜的制造过程、机械特性和亲水-疏水平衡

总之，该工作通过亲疏水平衡设计策略，首次开发出一种机械坚固、化学惰性、热稳定、离子导电性和电化学可逆的P/FS-Z隔膜，用于恶劣条件下的AZMB。受益于Zn²⁺的脱溶、电解质的pH和界面的疏/亲水性的调节。P/FS-Z隔膜表现出更平衡的传质动力学和界面稳定性。基于P/FS-Z隔膜，锌||锌对称电池可在20 mA cm^-2电流密度下，在10 mA h cm^-2高面容量下稳定循环1200 h，在80% DOD下稳定循环700 h。

此外，本文采用P/FS-Z隔膜的锌//二氧化锰电池在1 A g^-1条件下可稳定循环2000次，比容量高达244.1 mA h g^-1，容量保持率为97.23%。更重要的是，由于其固有的机械强度和电化学稳定性，P/FS-Z隔膜是完全可回收的。此外，还展示了低正负比(139.9 W h kg^-1，N/P = 1.17: 1)的高比能软包电池和实用条件下(200次循环后CR = 99.27%)的可穿戴软包电池，分别用于储能和可穿戴设备。

图2. 具有不同隔膜的Zn||MnO₂全电池的电化学性能

Highly-reversible and recyclable zinc metal batteries achieved by inorganic/organic hybrid separators with finely tunable hydrophilic–hydrophobic balance, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee01575k