背景介绍

锌基电池正在成为一种极具前景的电化学储能装置，由于其安全性高、成本效益高、性能稳定并且能量密度大。然而，锌基电池的开发面临着电化学腐蚀、不可逆的副反应以及在阳极上形成锌枝晶等挑战。传统电池隔膜通常具有简短热稳定性并且易受锌枝晶穿透和潜在的短路。纤维素基隔膜因其生态友好和可再生的特性而备受研究人员的关注，并且纤维素基隔膜具有独特的孔隙结构丰富的官能团，优异的化学稳定性和优异的机械性能能够在提升锌基电池综合性能的同时解决上述挑战。纤维素基隔膜的成功应用为进一步提高锌基电池的电化学性能提供了新的途径。因此，本论文总结了纤维素基隔膜在锌基电池中的最新研究进展，旨在推动纤维素基隔膜在储能领域的发展。

本综述及时概述了锌基电池用纤维素基隔膜的最新进展。首先，介绍了纤维素基材料作为锌基电池隔膜的机理。随后，介绍了纤维素隔膜和纤维素复合隔膜在不同领域的实际应用。包括水性锌离子电池、准固态锌电池和其他锌基电池。在接下来的章节中全面讨论了与成分和结构相关的电化学特性，目的是加深对与锌离子电池相关的电池原理的理解。最后，针对目前纤维素基隔膜存在的挑战，展望了纤维素基隔膜应用于锌基电池中的前景。

综述亮点

⭐ 通过深入分析锌基电池所面临的挑战，本文以此为切入点，着重探讨储能机理，旨在深入理解问题机理，并为纤维素基隔膜的有针对性设计提供指导。

⭐ 在考察纤维素基隔膜现状的基础上，全面探讨了纤维素基隔膜的卓越性质和其模块化结构。通过综合性分析，论述了在锌基电池中优化纤维素基隔膜相关材料的合适策略。

⭐ 文章系统描述了锌基电池、纤维素基隔膜的模块化结构以及电化学性能之间的多元关系。同时，综述了纤维素基隔膜相关材料中的最新研究进展。

⭐ 特别强调了纤维素基隔膜相关材料所面临的挑战，并展望了未来的发展前景，以全面评估锌基电池利用纤维素基隔膜相关材料改性的实际可行性。

图文导读

纤维素基隔膜相关材料在各种电池中的广泛应用彰显了它们在锌基电池改性领域的巨大潜力。近年来，纤维素基隔膜相关材料在扩展锌基电池应用领域方面取得了显著的进展，取得了许多卓越的成果。将纤维素基隔膜相关材料用于锌基电池改性具有多重优点，包括提高导电性、抑制锌枝晶、提高电池的循环稳定性以及提供丰富的活性位点。纤维素基隔膜可以有效防止锌负极和正极的接触，减少锌枝晶的形成从而防止电池短路，而且有助于加速Zn²⁺的传输，减少副反应。这一策略不仅提高了锌基电池的性能，还为其在实际应用中的可靠性和稳定性带来了显著的提升。

图1. 近年来纤维素基隔膜相关材料在电池储能领域发展历程。

作为一种由重复单元组成的大分子材料，纤维素基隔膜具有多项优越性质，包括对环境友好且易于循环、价格低便于大规模制备、强大的抗溶胀能力以及可设计的官能团等特点。这些特性在锌基电池储能领域得到了广泛而深入的研究。纤维素基隔膜相关材料的灵活结构使其能够适应于离子反复嵌入/脱出引发的体积变化，甚至能够有效地避免副产物地生成，从而有效提高电池性能。纤维素基隔膜具有高度地抗溶胀性，电导性和机械稳定性，使其成为解决锌负极腐蚀、枝晶、电导率低、反应动力学缓慢等问题的有效手段，通过引入特定的官能团，能够精确修饰纤维素及相关材料，从而进一步提高其性能和稳定性。

图2. 锌基电池用纤维素基隔膜的机理总结。

尽管在利用纤维素基隔膜提升电池性能方面取得了显著进展，但仍存在几个挑战，包括相关理论不成熟、实际应用有限以及复杂的合成工艺。因此，提出了实用建议以解决当前纤维素基材料研究的进展和瓶颈，旨在促进高性能电池的大规模生产。

功能性纤维素隔膜的进展：目前，许多基于纤维素的材料已在锌基电池隔膜中成功应用。然而，纤维素衍生物，特别是作为粘合剂的CMC，仍待进一步探索。赋予纤维素粘合剂功能基团通常表现出良好的水分散性。这些功能基团的设计有望提高离子扩散速率，减轻浓度极化，并改善电池的循环稳定性。这种方法确保了在使用纤维素粘合剂时，隔膜和电极具有强大的机械完整性。

复合隔膜的开发：随着锌基电池应用范围的扩大，现有的纤维素隔膜在满足特定需求方面存在局限性，这主要是由于其固有的限制。纤维素本身存在一些缺点，如孔隙结构大且不均匀，导致在水溶液中膨胀变形和锌沉积不均。为了解决这些问题，通过将纤维素与其他功能材料结合开发复合隔膜至关重要。例如，可以将石墨烯引入纤维素隔膜中，以提高离子导电性并有效抑制锌枝晶的形成。结果是制备出性能卓越的锌基电池。

创建独特的合成方法：虽然纤维素隔膜在功能、成本和灵活性方面具有诸多优势，但从实验室原型向商业产品过渡尚未实现。为了推动纤维素改性隔膜在锌基电池中的大规模应用，开发创新的合成方法，包括静电纺丝和原位聚合技术至关重要。尽管纤维素隔膜通常产量较低且成本相对较高，但迫切需要开发出成本效益高且易于合成的纤维素隔膜。一种新方法是结合静电纺丝和原位聚合来制造高性能的纤维素基隔膜。这种方法旨在释放纤维素隔膜在未来的重要商业价值。

集成设计的发展：纤维素隔膜的优化需要与其他电池组件协同考虑。例如，通过调整电解液配方、优化电极结构以及加强隔膜与电极之间的连接，可以进一步提高电池的整体性能。同时，考虑到纤维素隔膜的可回收性，回收过程也应纳入电池集成设计的范围，以最大限度地利用资源并促进环境的可持续发展。

增强机制研究：目前，新型和改进型隔膜的探索主要集中在表征上。理论计算和机制研究相对滞后，限制了分离材料在实际应用中的广泛推广。迫切需要通过密度泛函理论计算、有限元模拟和分子动力学模拟等技术提升分离器的分析水平。这种方法有助于研究微观结构、离子传输机制、界面行为和性能优化。同时，它还能全面探索材料在多个领域的特性，助力发现更优的材料。

界面工程的实施：锌阳极表面形态的变化以及锌沉积物的长时间溶解可能导致固体电解质界面（SEI）破裂或其他损害。因此，需要继续开发基于纤维素的隔膜，以促进良好形成的SEI的生成和稳定。通过纳米技术制备的介孔纳米纤维素隔膜可以引导锌离子的均匀分布，这可以显著提高电池的循环稳定性和可逆性。此外，纤维素隔膜的表面功能化，如引入阳离子功能基团，可以进一步增加锌离子的迁移数，并通过静电屏蔽效应减弱“尖端效应”，从而实现锌离子在纳米尺度上的均匀沉积。

图3. 纤维素基隔膜相关材料在锌基电池中应用的挑战和优势。

总结与展望

鉴于纤维素基隔膜在锌基电池中显著的优势和广泛应用前景，本综述以锌基电池当前面临的挑战为出发点，全面总结了纤维素基隔膜在锌基电池中的应用优势及机理。基于对这些优势的认识，本文进一步深入综合地探讨了目前纤维素基隔膜所面临的瓶颈，并提出了未来纤维素基隔膜在锌基电池中的重点发展方向，以实现高性能的锌基电池。希望本文能够为纤维素基隔膜在锌基电池领域的研究提供全面的参考，同时推动纤维素基隔膜在储能领域的进一步发展。

原文信息

相关成果以“Recent advances in cellulose-based separators for zinc-based batteries: performances, mechanism and perspectives”为题发表在Green Energy & Environment期刊，本文第一作者为华北理工大学张泽坤副教授，通讯作者为华北理工大学化学工程学院何章兴教授、朱靖教授和冯泽敏讲师。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2025.03.010

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部