更新时间：作者：小小条
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引言
锌碘电池因其高安全性、低成本和高理论容量（211 mAh g-1）成为储能领域的研究热点。然而，其商业化进程面临两大瓶颈：锌负极的枝晶生长与副反应，以及碘正极的多碘化物溶解与穿梭效应。传统研究多集中于单一电极的优化，缺乏对全电池体系的协同设计。
近期，一项发表于《AEM》的研究通过静电纺丝技术成功制备了具有中空结构的碳纳米反应器纤维（HCNFs），内嵌CdO-CdS异质结构，实现了对锌负极和碘正极的双重功能调控。该工作不仅展现了静电纺丝在复杂材料构筑中的优势，也为高性能水系电池的设计提供了新思路。
一、研究思路：一体化电极设计理念
传统上，针对锌碘电池的改进多集中于单一电极（负极或正极）的优化，这种方法往往导致系统复杂性和成本增加。本研究突破常规，提出双功能一体化电极设计理念：构建一种既能引导锌均匀沉积、抑制枝晶，又能锚定多碘化物、抑制穿梭的三维宿主材料。
技术路线：
1. 材料选择：选用CdO-CdS异质结构作为功能单元，其具备良好的锌亲和性及多碘化物吸附能力
2. 结构设计：采用中空纳米反应器构型，实现空间限域效应
3. 制备方法：通过静电纺丝结合高温碳化工艺，实现材料的大规模可控制备
二、材料制备：静电纺丝的关键作用
研究团队采用两步法制备HCNFs宿主材料，其中静电纺丝技术起到了关键作用：
制备流程：
1. 前驱体合成：通过水热法获得CdO-CdS纳米球（直径约150 nm）
2. 纺丝液配制：将纳米球与聚丙烯腈（PAN）混合于DMF溶剂中
3. 静电纺丝成型：采用静电纺丝技术将混合溶液制备成连续纤维
4. 高温碳化：在950°C氩气气氛下碳化，形成最终的三维HCNFs结构
结构特征：
• 形貌特征：纤维由相互连接的中空纳米笼组成，厚度约150 μm
• 异质结构：HRTEM图像显示清晰的CdO（0.32 nm，(110)晶面）和CdS（0.29 nm，(200)晶面）晶格条纹
• 元素分布：EDX mapping证实Cd、O、S元素在碳笼内均匀分布
• 比表面积：氮气吸附测试显示比表面积达95.89 m²/g，为活性物质负载提供了充足空间
三、机理探究：理论计算与实验验证结合
3.1 负极作用机理
理论计算支持：
1. 电子结构分析：DOS计算表明，CdO-CdS异质结构的电子态密度更接近费米能级，预示其具有优异的导电性
2. 锌离子吸附特性：CdO对Zn²⁺的吸附能（-1.44 eV）显著高于纯Zn（-0.56 eV）和碳材料（-0.21 eV），表明其强烈的锌亲和性
3. 离子传输促进：异质结构界面形成内建电场，将Zn²⁺扩散势垒从CdO的0.62 eV降低至0.55 eV，加速了离子迁移
实验验证：
1. 电化学性能：
▫ 成核过电位仅为20 mV（纯锌为65 mV）
▫ 交换电流密度达37.5 mA/cm²，比纯锌（25.7 mA/cm²）提高46%
▫ 对称电池在20 mA/cm²下稳定循环超过5000次
2. 形貌表征：
▫ 原位光学显微镜观察显示，HCNFs宿主上锌沉积均匀，60分钟后仍保持平整表面
▫ SEM图像证实，即使在高沉积容量（5 mAh/cm²）下，纤维结构仍保持完整
3.2 正极作用机理
理论计算支持：
1. 多碘化物吸附：CdO对I₃⁻的吸附能达-2.52 eV，显著高于碳材料（-1.88 eV），表明其强大的锚定能力
2. 催化转化促进：多碘化物在CdO-CdS界面的扩散势垒（0.85 eV）低于纯CdO表面（0.88 eV），有利于快速氧化还原反应
实验验证：
1. 电化学性能：
▫ 全电池在5 C倍率下容量达172.5 mAh/g
▫ 循环1000次后容量保持良好
▫ 即使在50 C超高倍率下，仍能循环20000次，容量保持108 mAh/g
2. 穿梭效应抑制：
▫ UV-vis光谱显示，HCNFs电极的多碘化物特征峰强度显著低于对比样品
▫ 库仑效率接近100%，表明活性物质损失极小
四、全电池性能：协同效应显著
当HCNFs同时作为负极和正极宿主时，组装的全电池表现出优异的综合性能：
4.1 倍率性能
• 5 C：172.5 mAh/g
• 10 C：141.4 mAh/g
• 20 C：126.8 mAh/g
• 50 C：108.0 mAh/g
4.2 循环稳定性
• 5 C下循环1000次，容量保持良好
• 50 C下循环20000次，容量衰减缓慢
4.3 实际应用演示
研究团队成功用该电池点亮LED指示灯，展示了其实际应用潜力。
五、技术优势与创新点
5.1 结构设计创新
• 空间限域效应：中空结构将反应限制在纳米尺度空间内
• 界面工程优化：异质结构界面调控电荷传输和反应动力学
• 双功能集成：单一材料同时解决正负极关键问题
5.2 制备工艺优势
• 静电纺丝技术：实现三维连续纤维网络的可控制备
• 一步高温碳化：简化工艺流程，提高材料机械强度
• 规模化潜力：静电纺丝技术具备良好的放大生产前景
5.3 性能突破
与文献报道的其他宿主材料相比，HCNFs在循环寿命、倍率性能和库仑效率等方面均表现出明显优势。
六、结论与展望
本研究通过静电纺丝技术成功构建了具有CdO-CdS异质结构的三维中空碳纳米反应器纤维，实现了对锌碘电池双电极的协同调控。主要结论如下：
6.1 核心发现
1. HCNFs宿主能有效引导锌均匀沉积，抑制枝晶生长，降低成核过电位
2. 异质结构对多碘化物具有强吸附和催化转化作用，显著抑制穿梭效应
3. 全电池表现出优异的倍率性能和超长循环寿命
6.2 科学价值
该研究提出了一种新型的电极设计范式：通过纳米反应器概念和异质结构工程，实现对电极反应的空间和界面双重调控，为其他金属-卤素电池体系提供了重要参考。
6.3 应用前景
• 大规模储能：适用于电网级储能系统
• 可穿戴设备：柔性纤维电极适合柔性电池设计
• 低成本电池：原材料丰富，制备工艺相对简单
6.4 未来方向
• 异质结构优化：探索其他金属化合物组合
• 结构精细调控：进一步优化孔径分布和表面化学
• 规模化制备：推进静电纺丝工艺的产业化应用
• 机理深入研究：利用原位表征技术揭示动态反应过程
图文解析
图1. HCNFs的合成与表征。
图2. Zn2+在CdO和CdO-CdS异质结构表面的扩散路径示意图。
图3.锌沉积过程的示意图。
图4.Zn@HCNFs阳极的电流密度分布模拟。
图5.I5⁻在CdO表面和CdO-CdS异质结构表面的扩散路径示意图。
七、结语
这项研究展示了静电纺丝技术在先进电极材料制备中的强大能力，以及纳米反应器概念在解决电池关键问题方面的有效性。通过精妙的材料设计和结构调控，研究人员成功突破了锌碘电池的性能瓶颈，为其实际应用铺平了道路。随着对反应机理的深入理解和新材料的不断开发，锌碘电池有望在未来能源存储领域发挥更加重要的作用。
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文章来源：佛山微迈科技-专业静电纺丝制造专家
https://www.wemaxnano.com/products/em/
文献来源：
https://doi.org/10.1002/aenm.202504798
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