亲锌与疏水协同！并肩静电纺丝PAN/TPU构筑长寿命无枝晶锌负极保护层

双碳背景下，水系锌离子电池凭借原料丰富、成本低廉、本征安全、环境友好的优势，被视作大规模储能极具潜力的候选体系。然而金属锌负极在水系电解液中一直受三大问题困扰：

• 锌枝晶无序生长：锌离子不均匀成核，在电极凸起处发生尖端效应，枝晶持续生长甚至刺穿隔膜，造成电池短路失效；
• 析氢副反应（HER）：水分子与锌直接接触发生还原析氢，引发鼓包、电解液消耗；
• 锌腐蚀与钝化副产物：析氢抬高局部 pH，生成碱式硫酸锌等绝缘副产物，进一步扰乱离子通量，恶性循环，造成库仑效率下降、电池寿命大幅衰减。

人工界面保护层是解决上述问题简单又高效的策略。聚丙烯腈（PAN）含有大量氰基，对 Zn²⁺具备强吸附作用，能够引导锌离子均匀分布，但 PAN 膜弹性不足，在锌反复沉积-剥离带来的体积应力下容易开裂、结构失效；热塑性聚氨酯（TPU）弹性优异、粘结性好，却缺少足够亲锌位点，难以单独实现锌离子的精准调控。

近期，聊城大学赵金生教授联合东北大学、吉林大学等多所国内知名高校在《Chemical Engineering Journal》刊发研究，利用并肩静电纺丝技术，一步制备PAN-TPU双组分纳米纤维，直接在锌箔表面构筑一层兼具亲锌 + 疏水双重属性的纳米纤维保护层（PAN/TPU@Zn），把两种聚合物优势结合在一起，实现协同界面调控。

图1.PAN/TPU 并列纳米纤维制备流程

一、打造 “亲锌——疏水一体化” 纳米纤维保护层

1.三大核心创新

• 并列异质纤维结构设计：利用并肩静电纺丝技术在单根纳米纤维空间功能分区，PAN 一侧提供大量亲锌位点；TPU 一侧提供高弹性，缓冲锌反复沉积-剥离的体积形变，保障保护层结构完整性。
• 疏水但不拒锌离子：聚合物碳骨架带来强疏水性，阻隔水分子直接接触锌基底，抑制析氢腐蚀； 纤维表面均匀分布的-C≡N、C=O作为亲锌活性位点，抢夺水合锌离子配位水，降低 Zn²⁺脱溶剂化能垒，引导锌离子均匀输运成核，解决 “疏水就挡离子、亲锌挡不住水” 的固有矛盾。
• 多维度完整机理解析：结合浸润测试、电化学、非原位 SEM/XRD/XPS 表征 + DFT 理论计算，从宏观电池性能到原子轨道层面完整揭示锌沉积调控机制。

图2.FTIR红外光谱、XPS全谱、XRD图谱及浸泡后SEM形貌

二、超长循环，兼顾半电池与全电池性能

1.对称电池

图3.Zn∥Zn 对称电池不同电流密度长循环与倍率性能

• 1mA cm⁻² /1 mAh cm⁻²条件：PAN/TPU@Zn 对称电池实现2500 h 超长循环寿命；裸锌电池仅 370 h 就因枝晶发生短路；
• 高负载5 mA cm⁻² /5 mAh cm⁻²：改性电极依旧稳定运行1000 h，裸锌仅 60 h 失效；
• 0.5~10 mA cm⁻² 宽电流窗口倍率测试：极化平稳，具备优秀大电流适配能力。

保护层会带来小幅极化上升，但换取界面稳定性巨大提升；循环前后阻抗几乎不变，证明保护层结构长期稳定。

2. 半电池

图4.循环后电极XRD、SEM形貌

• 库伦效率：PAN/TPU@Zn 平均库仑效率可达99.4%（1000 圈），裸锌仅 96.9%；
• 100 次循环之后：裸锌表面布满垂直生长六边形碱式硫酸锌副产物与枝晶；PAN/TPU@Zn 电极表面平整光滑，无枝晶；
• 透明可视电池：循环 50 圈后改性锌表面依旧平整，裸锌已经出现大量枝晶与析氢气泡。

3. 全电池

图5.(PAN/TPU)@Zn∥ α-MnO₂全电池CV、长循环、倍率、自放电测试

选用 α-MnO₂作为正极组装完整水系锌电池：

• 1 A g⁻¹ 电流密度循环1000圈：改性全电池剩余容量64.1 mAh g⁻¹，裸锌全电池仅 39.2 mAh g⁻¹；
• 0.1~1 A g⁻¹ 倍率条件：改性电池各个倍率比容量全面优于裸锌；恢复低电流后容量可逆；
• 24 h 静置自放电测试：容量保持率80.14%，高于裸锌电池 76.38%，副反应被有效抑制。

三、研究意义

• 方法创新：并肩静电纺丝技术一步制备双功能异质纳米纤维，避开简单共混相分离难题，同时实现亲锌、疏水、机械弹性，为高分子锌负极保护层提供新合成路线。

• 理论参考：完整阐明 “亲锌-疏水协同界面” 的工作机理，为水系锌电池高分子界面层的分子设计提供参考范式。

• 应用价值：称电池、半电池、MnO₂全电池均实现性能大幅提升，证明并列静电纺丝技术在高性能水系储能电池拥有良好应用前景。

DOI:10.1016/j.cej.2026.181555

四、静电纺丝设备推荐

本文报道面向水系锌负极稳定化的静电纺丝并列纳米纤维界面构筑策略，核心是通过亲锌位点设计、疏水屏障构建、弹性网络缓冲协同作用，依托并肩静电纺丝技术实现异质纤维精准构筑，从离子输运—界面副反应—体积形变多维度实现锌沉积行为调控，抑制枝晶生长与析氢腐蚀，解决原生锌负极循环寿命短、库仑效率低的痛点。

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