一种经过BN-rGO改性的隔膜，能够协同抑制高负载量水基锌碘电池中的穿梭效应（即离子在电极之间的异常迁移现象）

时间：2026年1月23日

来源：Journal of Electroanalytical Chemistry

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水系锌碘电池通过 BN-rGO@GF 分隔器实现高容量与循环稳定性，其物理吸附和化学催化双重机制抑制多碘化物 shuttle 效应，在 15 mg/cm² 高负载下仍保持 141.9 mAh/g 容量，循环 2600 次后容量保持率 85%。

张毅|徐宏成|王楚仁|李子强|赵公远|于登峰|陈春霞

东北林业大学化学、化学工程与资源利用学院，哈尔滨市和平路26号，150040，中国

摘要

水系锌碘电池（AZIBs）因其成本效益和内在安全性而成为有前景的下一代储能设备。然而，其实际应用受到碘转化动力学缓慢、多碘化物穿梭效应以及碘质量负载量有限（通常<2 mg cm⁻²）的严重阻碍。为了解决这些问题，本研究报道了一种新型改性隔膜（记为BN-rGO@GF），该隔膜通过将玻璃纤维GF基底涂覆多孔氮化硼还原氧化石墨烯（BN-rGO）复合材料制成。BN-rGO层赋予隔膜双重物理吸附和化学催化能力：它能有效固定可溶性多碘化物以抑制穿梭效应，同时加速碘物种的氧化还原转化动力学。因此，使用BN-rGO@GF作为隔膜的AZIBs表现出超高的放电容量（在0.1 A g⁻¹电流密度下为208.7 mAh g⁻¹），并在2600次循环后仍保持高达85%的容量保持率。值得注意的是，即使在15 mg cm⁻²的高质量负载下，也实现了141.9 mAh g⁻¹的出色容量，显示出其在实际应用中的巨大潜力。本研究为改性隔膜的设计提供了一种有效策略，并为提高高性能AZIBs提供了新的见解。

引言

全球气候变化的加剧以及向低碳经济转型的加速[1]，使得“碳达峰”和“碳中和”成为重要的全球目标[2]、[3]。因此，大量的研究工作致力于开发创新的能源和先进的储能技术。在各种电化学储能技术[4]中，水系锌碘电池（AZIBs）由于其高安全性、环境友好性、高理论容量、优异的循环稳定性和低成本[5]、[6]、[7]、[8]而受到广泛关注。值得注意的是，AZIBs中的易燃有机电解质被不可燃的水系电解质取代，从根本上消除了热失控和燃烧的风险，从而显著提高了操作安全性[9]、[10]、[11]。此外，AZIBs可以直接在空气中组装，这大大简化了制造过程，再加上其高理论容量（211 mAh g⁻¹或1040 mAh cm⁻³

尽管AZIBs具有诸多优势，但其实际应用仍面临一些固有挑战。这些挑战包括反应动力学缓慢、自放电行为、锌枝晶形成、金属腐蚀和寄生副反应，主要源于锌阳极的高反应性和碘物种的复杂多相转化化学。特别是，穿梭效应成为实际应用的最大障碍[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。许多研究致力于减轻碘穿梭效应。关键策略包括将碘物种限制在多孔碳载体中以提高利用率[22]、[23]，配制新型电解质以抑制多碘化物中间体的形成[24]、[25]，以及在锌阳极上制备保护涂层以抑制枝晶和腐蚀[26]。然而，尽管隔膜在AZIBs中起着关键作用，但其重要性却相对较少受到关注。传统的隔膜如玻璃纤维（GF）和棉纤维膜能够实现Zn²⁺的传导并防止电气短路，但存在孔结构不规则、机械强度低和离子选择性差的问题[27]。因此，可溶性多碘化物容易穿过隔膜到达阳极，引发有害的副反应，如锌枝晶形成和腐蚀[28]、[29]。为了解决这一挑战，改进传统隔膜是一种有效的策略，可以有效地捕获和利用反应性的多碘化物中间体。刘的团队开发了一种Ketjen黑涂层棉纤维（KB@CF）隔膜[30]。KB涂层能有效在阴极侧固定碘物种，从而提高碘的利用率。Yu等人使用了一种改性的棉纤维隔膜（MCN@CF）来限制碘物种并减轻穿梭效应[31]。使用MCN/I₂阴极和MCN@CF隔膜组装的ZnI₂电池在100 mA g⁻¹电流密度下初始可逆容量为162 mA h g⁻¹，并在1100次循环后容量保持率为85%。这项工作为开发高可逆性水系锌碘电池提供了宝贵的见解。上述策略主要依赖于物理吸附来限制碘物种。实施双重化学-物理限制机制可能是一种新颖且更有效的改性方法。

六方氮化硼（h-BN）是一种二维绝缘材料，是还原氧化石墨烯（rGO）的等电子体[32]、[33]。h-BN具有二维（2D）蜂窝状晶格结构。硼和氮之间的强共价键赋予了BN出色的热导率、吸附性能、化学稳定性和催化性能——这些特性使BN在储能应用中具有巨大潜力[34]、[35]。同样，在锂硫（LiS）电池中，涂有BN复合材料的聚丙烯（PP）薄膜隔膜显著降低了极化和阻抗，从而提高了半电池的性能和稳定性[36]。此外，使用改性BN隔膜的Li/LiFePO₄全电池在1000次循环后仍表现出优异的稳定性，保持1C速率下的比容量为114 mAh g⁻¹

在这项工作中，我们提出了一种通过吸附-催化机制提高AZIBs性能的有效策略，即通过用氮化硼还原氧化石墨烯复合材料（记为BN-rGO）涂层改性传统的玻璃纤维隔膜。制备的BN-rGO@GF隔膜具有双重固定功能，有效抑制了多碘化物的穿梭效应，阻止了碘物种向阳极的扩散。这种方法有效减轻了不必要的副反应，并显著提高了整体电化学性能，特别是在循环稳定性和倍率能力方面。正如预期的那样，改性电池在0.1 A g⁻¹电流密度下表现出208.7 mA h g^{−1^{−1⁻²、10 mg cm⁻²和15 mg cm⁻²时，0.1 A g^−1⁻¹}}

材料制备

所使用的试剂未经进一步纯化：H₃BO₃（98%，天津科美奥化学试剂有限公司），尿素（98%，上海浩鸿生物科技有限公司），PTCDA（98%，上海麦克莱恩生物化学科技有限公司），KOH（98%，哈尔滨新达化学工厂），碘（98%，上海麦克莱恩生物化学科技有限公司），浓盐酸（38%，国药化学试剂有限公司）。

结果与讨论

如图1所示，通过超声分散和水热处理BN和GO制备了多孔BN-rGO复合材料，促进了π-π堆叠和氢键的形成[37]。所得复合材料被涂覆在GF隔膜上，制备成BN-rGO@GF隔膜，从而实现了双重物理化学效应，抑制了穿梭效应。

图2a中的SEM图像显示，BN具有直径约为300 nm的二维层状形态

结论

总结来说，我们通过将BN-rGO复合材料整合到商用玻璃纤维中，制备了一种新型的BN-rGO@GF隔膜。BN-rGO@GF隔膜作为一种优异的功能屏障，能有效吸附溶解的多碘化物，催化碘物种的转化动力学，从而显著减轻了穿梭效应。所得的锌碘电池表现出出色的放电性能（在当前密度下比容量分别为208.7 mAh g⁻¹和104.7 mAh g⁻¹

CRediT作者贡献声明

张毅：撰写——原始草稿，资源提供，实验研究。徐宏成：撰写——审阅与编辑。王楚仁：软件开发，实验研究。李子强：实验研究。赵公远：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。于登峰：撰写——审阅与编辑，项目管理。陈春霞：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。