氮化物改性分离器提升锌金属电池性能：功函数调控与无枝晶生长策略

锌金属基电池（ZMB）凭借低成本和高安全性成为储能领域新宠，但锌枝晶问题制约其商业化进程。中国科研团队创新性提出功函数化学策略，通过氮化物改性玻璃纤维分离器实现锌离子通量优化，相关成果发表于国际权威期刊。

一、功函数调控机制与氮化物改性原理

研究团队在商用GF分离器表面包覆WN₀.₆₇、VN、Mo₂N、NbN四种氮化物（图1(g)），构建梯度功函数体系。实验数据显示：

• 理论功函数值：WN₀.₆₇(4.021eV) > VN(3.926eV) > Mo₂N(3.817eV) > NbN(3.229eV)
• UPS实测值：WN₀.₆₇(5.39eV) > VN(5.05eV) > Mo₂N(4.83eV) > NbN(4.48eV)
• KPFM测试值：WN₀.₆₇(4.844eV) > VN(4.698eV) > Mo₂N(4.503eV) > NbN(4.197eV)

图1 四种氮化物的电化学和理论性质

二、锌离子传输动力学优化

低功函数氮化物展现显著优势：

1. 电荷分布调控：NbN@GF表面负电荷密度提升23%，增强Zn²⁺吸附能力
2. 离子筛分效应：SO₄²⁻透过率降低67%，抑制副反应发生
3. 晶体取向优化：促进(002)晶面沉积，实现水平方向致密生长

图2 四种氮化物在GF分离器表面的离子筛分作用

三、电池性能突破性进展

经NbN@GF改性后：

• 循环寿命：锌阳极实现3000小时稳定循环
• 容量保持率：Zn//Mn3O4@C全电池4000次循环后保持85.3%
• 倍率性能：0.2A/g电流密度下保持261mAh/g比容量

四、产业化应用前景

该策略为金属基电池提供新思路：

1. 材料普适性：适用于多种过渡金属氮化物体系
2. 工艺兼容性：改性过程与现有生产线匹配度达90%
3. 成本优势：单瓦时成本降低0.3元人民币

[1] : Energy Environ. Sci. 2024, 17, 2554

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