高介电表面介质调控电场实现锌金属负极均匀沉积的创新研究

针对锌基电化学储能体系中Zn2+沉积不均的核心问题，南京航空航天大学团队通过高介电介质（BaTiO3）修饰细菌纤维素隔膜，首次揭示介电常数（εr）对电场重分布的作用机制。该研究通过极化效应增强垂直电场分量、抑制水平分量，实现Zn2+均匀沉积和阴离子排斥，使锌负极在1 mA cm?2下稳定循环2880小时，为电场调控策略提供新范式。

　　

可再生能源的间歇性难题催生了人们对锌基电化学储能系统的热切期待——这种技术兼具环保、低成本和高安全性，而锌金属负极820 mAh g^?1的理论容量和-0.76 V的低氧化还原电位更是锦上添花。但理想丰满，现实骨感：Zn²⁺在电极表面的二维扩散（2D diffusion）如同脱缰野马，导致枝晶横生，不仅刺穿隔膜，更让整个系统稳定性岌岌可危。

传统解决方案聚焦于电解质调控或负极表面修饰，却忽视了隔膜这一“幕后黑手”。玻璃纤维（GF）隔膜机械强度不足、电场分布不均的缺陷长期被忽视，而其过厚的结构还会拖累体积能量密度。南京航空航天大学团队另辟蹊径，将目光投向电场这一离子迁移的“原动力”——通过细菌纤维素（BC）隔膜整合高介电BaTiO₃（BTO, ε_r>2000）纳米颗粒，首次证明介质介电常数可重塑局部电场：高介电颗粒通过极化效应，像“电场指挥家”般强化垂直分量、削弱水平分量，从而遏制Zn²⁺的横向扩散，同时排斥SO₄^2?阴离子以抑制副反应。

关键技术方法
研究采用有限元模拟量化不同介电介质对电场分布的调控效应；通过溶液浇铸法制备BTO修饰的BC复合隔膜；结合扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征沉积形貌；采用对称电池和Zn||AC电容器评估电化学性能；通过原位光学显微镜观察枝晶生长动力学。

研究结果

1. 电场调控机制：模拟显示高介电BTO颗粒使阳极表面电场强度提升3倍，水平分量降低67%，有效消除“尖端效应”。
2. 隔膜设计优势：BC基底厚度仅12 μm（GF为680 μm），BTO均匀分布形成“纳米级电场调节器”，Zn²⁺迁移数达0.83。
3. 电化学性能：对称电池在10 mA cm^?2下实现3.5 Ah cm^?2累积容量；Zn||AC电容器循环5万次容量保持率91%；N/P=3:1的全电池循环1000次后仍有82%容量保持。

结论与意义
该工作发表于《Journal of Energy Chemistry》，首次建立介电常数-电场分布-沉积行为的定量关系，提出“隔膜介电工程”新概念。Yicheng Tan和Duo Chen等通过BC/BTO复合隔膜实现“一石三鸟”——抑制枝晶、阻挡阴离子、提升机械强度，为高安全锌基储能器件设计提供全新思路。这种电场调制策略或可拓展至锂/钠金属负极体系，推动下一代储能技术发展。