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  水系鋅電池（AZBs）因其低成本、高安全性，被視為大規模電化學儲能技術的重要候選者。在眾多水系鋅金屬電池體系中，鋅碘電池憑借碘正極的獨特優勢脫穎而出。碘元素在海水中的含量豐富（50-60 μg L^-1），且其理論比容量高達211 mAh g^-1，使其在儲能領域極具應用前景。盡管鋅碘電池展現出顯著優勢，但其實際應用仍面臨挑戰。在鋅負極側，循環過程中鋅枝晶的形成以及界面處的副反應（如析氫反應、鈍化和腐蝕）導致鋅利用率低、循環穩定性差。在碘正極側，放電過程中生成的多碘化物（I₃^-、I₅^-等）易從正極溶解至電解液中，導致庫倫效率降低和活性物質的不可逆消耗。此外，多碘化物會通過“穿梭效應”遷移至鋅負極側，與鋅發生反應（Zn +I₃^-→ Zn²⁺ + 3I^-）引發不可控的自放電和鋅腐蝕，顯著縮短電池壽命。

  為此，武漢大學周金平教授課題組和陳朝吉教授課題組合作，開發了一種具有Janus結構的生物基高分子隔膜，用于實現鋅碘電池的雙界面協同調控。

  2026年3月29日，該研究成果以“A Universal Janus Biopolymer Separator Enabled Dual-Interfacial Regulation toward Dendrite-Free and Shuttle-Free Zinc-Iodine Batteries”為題發表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.72959）上，武漢大學化學與分子科學學院碩士研究生朱彥博和張皓東博士后為共同第一作者。

  本研究利用帶相反電荷的典型生物基高分子（即殼聚糖CS和海藻酸鈉SA），通過簡單的逐層溶液流延法制備了生物基高分子Janus隔膜（CSSA）。在鋅負極側，SA中豐富的羧基（-COO^-）與Zn²⁺強配位以調控沉積/擴散行為，同時靜電排斥多碘化物，抑制鋅金屬腐蝕；在碘正極側，CS中的氨基（-NH₃⁺）化學錨定多碘化物，并在電極界面處加速其氧化還原轉化。基于CSSA隔膜的鋅碘全電池在5 A g^-1下循環超20,000次，容量衰減率低至每循環0.01‰。此外，通過兩步流延法可以極低的成本實現規模化制備，展現出良好的大規模應用潛力。同時，該策略還具有良好的普適性，可擴展至多種天然帶電生物大分子，為構筑兼具快速動力學和長壽命的水系鋅電池提供了可規模化新途徑。本研究為設計可持續生物聚合物隔膜、實現無穿梭效應及長循環水系鋅碘電池提供了全新思路（圖1）。

圖1. 生物基高分子Janus隔膜的設計思路

圖2. CSSA隔膜的制備和表征

  作者首先通過掃描電子顯微鏡和紅外光譜證實了CSSA隔膜Janus結構的成功構筑。X射線光電子能譜分析進一步驗證了Zn²⁺與-COO^-及-NH₃⁺基團之間的配位作用。該隔膜展現出優異的機械性能，濕態下的韌性達2.38 MJ m^-3，遠高于玻璃纖維隔膜；且經超過10,000次折疊后，其Janus結構依然保持完整。低場核磁共振與拉曼光譜分析表明，CSSA隔膜通過極性基團與水分子構建強氫鍵網絡，有效調控水分子的存在狀態，將自由水比例由99%降至近0%，從而顯著抑制了水分子的活性，減少了副反應的發生，并提升了電池的穩定性（圖2）。

圖3. 鋅碘全電池的電化學性能

  作者進一步探究了CSSA隔膜組裝的鋅碘全電池的電化學性能。循環伏安測試表明，CSSA隔膜能夠平衡SA層與CS層在鋅沉積和碘氧化還原過程中的不同催化行為，協同優化反應動力學。倍率測試顯示，在100至5000 mA g^-1的電流密度范圍內，CSSA隔膜體系的放電比容量均優于玻璃纖維隔膜，并展現出更低的極化電壓。在循環穩定性方面，CSSA隔膜體系在5000 mA g^-1下循環20,000次后，每圈的容量衰減率低至0.01‰。此外，軟包電池進一步證實了其實際應用潛力：采用CSSA隔膜組裝的電池在1000 mA g^-1下循環500次后，仍可保持145 mAh g^-1的放電比容量（圖3）。

圖4. SA層穩定鋅負極循環穩定性的機理研究

  作者通過比較不同隔膜在Zn||Zn對稱電池中的性能，系統揭示了SA隔膜對鋅負極穩定性的調控機制。循環性能測試結果表明，采用SA隔膜的電池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2條件下可穩定循環超過1500小時，而玻璃纖維隔膜電池迅速失效。即使在60%放電深度或低電解液容量比條件下，SA隔膜仍能維持長時間穩定運行。原位光學顯微鏡觀察發現，SA隔膜能夠引導均勻的鋅沉積，有效抑制枝晶生長；原位拉曼光譜進一步證實，SA隔膜可緩解濃度極化，維持均勻的Zn²⁺通量。密度泛函理論計算表明，SA與Zn2+的結合能（-2.43 eV）顯著高于水分子（-1.06 eV），有利于捕獲溶劑化Zn²⁺并降低去溶劑化能壘。Tafel與線性掃描伏安測試進一步證實，SA隔膜能有效抑制析氫及腐蝕副反應（圖4）。

圖5. CSSA實現多碘化物的固定與穿梭效應的抑制

  為了研究CSSA隔膜中SA層與CS層對碘正極的調控機制，作者采用實驗驗證與理論計算相結合的方法，系統闡明了兩者在抑制多碘離子穿梭、吸附多碘離子以及促進碘物種轉化過程中的協同作用與功能差異。H型電解池測試結果表明，SA隔膜與CSSA隔膜均能有效抑制多碘離子的穿梭。紫外-可見光譜進一步顯示，CS隔膜與CSSA隔膜對多碘離子具有更強的吸附能力。此外，理論計算結果揭示，SA與多碘離子之間表現為靜電排斥，而CS層則呈現強吸附作用，且CS層能顯著提高碳表面與I₂物種的吸附能，同時將I₃^-還原為I^-的吉布斯自由能從3.40 eV降低至2.10 eV，表明CS層可促進碘物種的轉化動力學。原位拉曼光譜進一步證實，采用CSSA隔膜的電池在循環過程中，碘正極表面未檢測到多碘離子的信號；而采用玻璃纖維隔膜的電池則出現明顯的特征峰，充分證明了CSSA隔膜在抑制多碘離子穿梭方面的優異性能（圖5）。

圖6. 生物基高分子Janus隔膜設計策略的普適性探究

  最后，作者進一步驗證了該Janus隔膜策略的普適性。將SA替換為其他帶負電的生物大分子（羧甲基纖維素、透明質酸、卡拉膠、果膠）后，所制備的Janus隔膜同樣能通過負電性表面配位Zn²⁺、靜電排斥多碘離子，并與CS層構筑穩定雙層結構。理論計算表明，以上生物基聚合物與Zn²⁺的結合能均顯著高于Zn²⁺-H₂O，證實了其促進去溶劑化的能力。所制備的Janus隔膜均展現出優異的韌性和彈性模量，在1000 mA g^?1電流密度下放電容量均超過167 mAh g^-1、容量保持率高于75%，證明了該設計策略的普適性（圖6）。

  綜上所述，本研究采用簡單的連續溶液澆鑄法，成功制備了一種由負電性SA層與正電性CS層組成的Janus生物基高分子隔膜。其中，SA層通過-COO^-基團促進Zn²⁺的傳輸并引導其均勻沉積，同時利用靜電排斥作用抑制多碘離子的擴散，從而減輕碘誘導的腐蝕；CS層則憑借-NH₃⁺基團對多碘離子實現強效吸附，既緩解了穿梭效應，又促進了碘物種的轉化。得益于該雙界面的協同調控，鋅碘全電池在5 A g^-1下循環20,000圈后，每圈容量衰減率低至0.01‰。此外，該策略可拓展至多種生物基聚合物，為開發可持續、長壽命的水系鋅碘電池提供了普適性方案。

  此研究工作得到了國家自然科學基金（52173106、22375154、22461142135）的資助。同時感謝武漢大學分析測試中心和科研公共服務條件平臺對材料表征測試的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.72959