不受控制的鋅電沉積是長循環(huán)鋅電池的障礙。關(guān)于調(diào)節(jié)鋅電沉積已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，但很少像在實際電池中那樣在存在隔膜的情況下進(jìn)行研究。

在此，美國休斯敦大學(xué)姚彥、Yanliang Liang及橡樹嶺國家實驗室Jagjit Nanda等人研究了在一系列多孔和無孔隔膜存在下的鍍鋅/剝離，證明了隔膜的微觀結(jié)構(gòu)決定了鋅的電沉積行為。

首先，在整個電池拆卸和表征過程中，特別注意將鍍鋅電極和隔膜作為一個整體進(jìn)行保存。使用Ar離子寬束拋光機(jī)暴露樣品橫截面，而不會引入偽影和失真。接著在實際相關(guān)的測試條件下，作者研究了在多孔和無孔隔膜存在的情況下鋅電沉積。

結(jié)果顯示，由玻璃纖維和聚丙烯制成的多孔隔膜在鋅電鍍過程中促使沉積的鋅填充隔膜孔，有發(fā)生短路的風(fēng)險，剝離時會留下“死鋅”。相比之下，無孔隔膜將鋅沉積限制在隔膜下方，避免了死鋅的形成。

圖1. 隔膜的形態(tài)及電導(dǎo)率特性

這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)，除了調(diào)控固有的鋅沉積形態(tài)（例如，通過液體電解質(zhì)優(yōu)化、基底設(shè)計等）外，隔膜的微觀結(jié)構(gòu)是開發(fā)高效鋅電池不可缺少的考慮因素。一旦確定了這種隔膜效應(yīng)，可能需要重新審視被認(rèn)為有效對抗鋅枝晶的策略。

雖然這項研究側(cè)重于鋅，但隔膜對金屬電沉積行為的影響似乎很普遍，可適用于其他金屬電池系統(tǒng)。這項工作揭示了僅使用多孔隔膜是基于金屬負(fù)極的可充電電池的普遍但被忽視的挑戰(zhàn)，提出了防止金屬生長前沿直接暴露于多孔結(jié)構(gòu)的策略。

圖2. 50 mA cm^-2電流密度下的不同隔膜的鋅電沉積行為

Separator Effect on Zinc Electrodeposition Behavior and Its Implication for Zinc Battery Lifetime, Nano Letters 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03792