高载量碘正极是实现静态水系锌-碘电池（SAZIB）高能量密度的前提，然而多碘化物穿梭与锌负极可逆性不足的问题在高载量条件下被进一步放大，成为该技术发展的主要瓶颈。

2026年1月21日，济南大学徐锡金在国际知名期刊Advanced Materials发表题为《A Gradient Functionalized Separator for Unlocking Latent Cathode Host Sites and Enhancing Zinc Anode DOD in Ultrahigh-Areal-Capacity Static Zn-I2 Batteries》的研究论文，Qingxiu Yu、Xixi Zhang为论文共同第一作者，徐锡金为论文通讯作者。

本研究以二维氰基功能化石墨相氮化碳（CCN）对玻璃纤维隔膜进行非对称修饰，构筑出梯度结构隔膜（G-CCN@GF）。实验与模拟共同证实：面向正极的致密CCN层可锚定多碘化物并激活潜在电化学活性位点，在高碘载量与高I/C比条件下显著加速碘转化动力学；而面向负极的薄层CCN则均匀化Zn2+通量，使锌负极在高放电深度（DOD）下仍保持优异可逆性。基于此，采用常规活性碳（AC）宿主正极的Zn/G-CCN@GF/I2电池在I/C=2:1的极端条件下仍实现27.9 mAh cm-2的面容量（碘载量150.1 mg cm-2），并在40 mg cm-2载量下稳定循环7200圈。进一步组装的60 cm2软包电池输出5.8 mAh cm-2，1100次循环后容量保持率达85.87%。该工作为高能量密度静态水系锌-碘电池提供了可扩展的隔膜工程化策略。

水系可充电电池因其低成本、低毒性与高安全性，被视为大规模储能与智能电子设备供能的有力候选。在诸多水系技术中，静态（非流动）水系锌–碘电池（SAZIB）凭借电极材料资源丰富、工作电压适中、氧化还原可逆性良好等优势，受到广泛关注。然而，其进一步发展受限于碘正极的多碘化物穿梭效应与锌负极可逆性不足两大难题；当为提高能量密度而提升碘载量时，这些问题被进一步放大。穿梭效应源于I2与I-反应生成的多碘离子（主要为溶解度高的I3-），它们在浓度梯度驱动下迁移至锌负极并发生自发副反应，既消耗正极活性材料，又腐蚀负极。同时，传统水系电解液中的锌负极本就面临枝晶增殖、析氢与腐蚀等固有问题，多碘化物的存在令上述副反应更为剧烈，导致电池循环稳定性差、库仑效率低、自放电严重。

若同时解决正极与负极问题，通常需对两极分别进行结构修饰，这牺牲了SAZIB体系固有的简洁性与集成优势。相比之下，通过电解液或隔膜工程可在单一组件内同步调控两极界面，工艺简单且通用性高。电解液策略虽能优化界面电化学环境、抑制副反应，但对高碘载量或高碘/碳比（I/C）条件下产生的高浓度多碘化物束缚能力有限。隔膜修饰则可在电极/电解液界面精准阻断多碘化物迁移，且无需复杂电极工艺。然而，现有功能隔膜研究多聚焦于低I/C体系，活性物质含量不足，整体能量密度难以满足苛刻应用需求；此外，在高正极碘载量条件下，深度放电（DOD）时锌负极的可逆性仍是一大挑战。因此，开发一种能在高I/C比下抑制多碘化物穿梭、同时在高DOD条件下提升锌负极可逆性的隔膜改性策略，成为当务之急，却也困难重重。

本研究设计了一种二维氰基功能化石墨相氮化碳（CCN），对玻璃纤维隔膜进行非对称修饰，构筑梯度结构隔膜（G-CCN@GF），在单一隔膜内同步解决SAZIB的多碘化物穿梭与锌负极可逆性不足问题。实验与有限元模拟共同证实：面向正极的致密CCN层可激活并最大化利用正极反应位点，促进多碘化物转化；面向负极的薄层CCN则显著改善高DOD下锌负极的稳定性。借助该功能匹配设计，即使以低成本活性碳（AC）为正极宿主，电池在高I/C比（2:1）条件下仍能实现优异性能：40mgcm-2碘载量下循环7200圈，150.1mgcm-2超高载量下面容量高达27.9mAhcm-2。组装的60cm2软包电池面积容量达5.8mAhcm-2，1100次循环后容量保持85.87%。该工作为高性能SAZIB提供了一种可扩展的隔膜工程化新思路。

图1：CCN及G-CCN@GF隔膜的结构确证。a)TEM显示剥离后CCN为横向0.5–2.5μm的薄层纳米片；b)AFM测得厚度均一约3–5nm，证实二维结构；c)FTIR中2177cm-1出现─C≡N伸缩振动峰，标志氰基成功引入g-C3N4骨架；d)静电势图显示氰基耗尽π共轭电子云，形成缺电子正电区，增强对I3-的静电捕获；e)UV–vis表明CCN对I3-特征吸收(288、350nm)降幅远大于C3N4，验证吸附容量显著提升；f)示意图与照片：真空抽滤使大尺寸CCN在GF正面堆叠成致密层，背面喷雾形成薄层，最终获得梯度G-CCN@GF隔膜；g)XRD沿深度测试显示CCN衍射强度自顶面向底面递减，确认梯度分布；h)截面SEM可见顶层致密、底层稀疏的非对称结构；i)顶面SEM呈现紧密覆盖的CCN厚层；j)底面SEM显示均匀分散的薄层，保证Zn2+通量与机械完整性。

图2：高碘载量下的电化学反应机理解析。a)0.1Ag-1恒流充放电曲线显示，随碘载量增加G-CCN@GF电池面容量单调上升，而GF电池容量快速衰减；b)归一化比容量出现“25mgcm-2下降、30–40mgcm-2回升”的反常趋势，表明CCN吸附饱和后屏障效应增强；c)充放电容量统计(平均五次)证实G-CCN@GF在60.1mgcm-2仍维持162.6mAhg-1高利用率；d)极化电压(平均五次)在40mgcm-2骤降，充电平台显著降低，揭示转化动力学被加速；e,f)有限元模拟显示GF隔膜I3-浓度自正极向负极递增，呈现典型穿梭；G-CCN@GF则形成反向梯度，I3-被锁定在正极侧；g)吸附-电沉积质量曲线：电极在I3-溶液中14h增重至22mgcm-2实现饱和，后续I2电沉积60mgcm-2仍无晶体析出，证明宿主存在大量潜伏活性位点。h,i)常规体系示意图：多碘化物自由迁移、活性位点利用率低；j,k)G-CCN@GF体系：致密CCN层化学锚定加上物理阻挡，累积I3-反向扩散，激活正极表面全部潜在反应位点，实现高I/C比与高能量密度。

图3：I/C=2:1优化条件下的电化学性能。a)面容量与比容量随碘载量线性增长，当碘载量为150.1mg cm-2时，面容量达27.9mAh cm-2，比容量则保持186.1mAh g-1，载量提升7.5倍活性损失<10%；b)对应GCD曲线极化几乎无增宽，证实厚电极反应动力学仍受控。c)40mgcm-2CV对比：G-CCN@GF氧化还原峰电位差缩小58mV，电荷转移阻抗显著降低；d)0.1Ag-1循环174圈容量保持99.36%，库仑效率98.99%，曲线高度重叠。e)倍率测试：2Ag-1仍输出4.1mAh cm-2，返回0.1Ag-1容量完全恢复，表明大电流下离子 电子传输无阻；f)2Ag-1长循环7200圈容量保持98.87%，远超GF(800圈失效)与G-C3N4@GF(3500圈衰减20%)；g)静置自放电72h：G-CCN@GF容量保留90.43%，显著高于GF(81.03%)与G-C3N4@GF(83.49%)；h)与文献对比：面容量-载量曲线位于最上方，同载量下容量领先>40%；i)高载量循环稳定性对比：40mgcm-2级别G-CCN@GF7200圈居首位，验证梯度隔膜策略的领先性。

图4：穿梭抑制与界面调控的原位/非原位表征。a)H型池光学照片显示GF体系40min时，右侧电解液变黄，G-CCN@GF体系1h内无色变，直观证明I3-迁移被阻断；b)对应原位UV–vis光谱：GF侧I3-特征吸光度持续上升，G-CCN@GF几乎无信号，定量验证CCN层阻隔效率>95%；c,d)原位拉曼：GF电池充放电全程106cm-1处I3-峰强度居高不下，表明溶解态多碘化物未参与界面氧化还原；G-CCN@GF电池I3-/I5-信号随电位可逆出现/消失，说明PIs被限域在正极侧并完成可逆转化；e,f)原位EIS Nyquist图：GF电池全电压窗口电荷转移阻抗持续高企且1.2–1.4V仅单弧；G-CCN@GF电池阻抗整体降低50%，并在1.2–1.4V出现第二小弧，对应CCN-PIs界面相提供额外快速电荷转移通道，实现穿梭抑制与反应动力学同步提升。

图5：锌负极稳定性与沉积行为研究。a)CCN@GF隔膜Zn2+迁移数达0.59，显著高于GF(0.41)与C3N4@GF(0.51)，证明氰基层通过锚定阴离子加速Zn2+传输；b)Zn//Zn对称电池在1mAcm-2、10mAhcm-2(34.2%DOD)下稳定循环1200h无短路，电压滞后<50mV，而GF仅300h且C3N4@GF770h失效；c)Zn//Cu半电池平均库仑效率99.5%，较GF(98.2%)与C3N4@GF(98.0%)显著提升，显示锌沉积/剥离可逆性大幅改善；d,e)100圈后SEM：CCN@GF侧锌表面致密平整，GF侧出现大量突起与裂纹；f,g)对应隔膜表面：CCN层完整无死锌，GF表面随机分布锌渣；h,i)原位光学显微镜10mAcm-2沉积40min：GF体系枝晶明显且沉积层疏松，G-CCN@GF体系沉积层均匀致密；j,k)电场模拟：GF电流密度集中于局部突起易诱发枝晶，G-CCN@GF电流分布均匀，引导无枝晶均匀沉积。

图6：软包电池性能与实用性验证。a)结构示意图：7.5×8cm2极片叠片设计，正极33.3mgcm-2碘载量，I/C=2:1，G-CCN@GF隔膜居中实现双向功能匹配；b)实物照片：60cm2大电池密封平整，总质量<12g，展示工艺可放大；c)红外热像：充电0–30min内G-CCN@GF体系表面温差<2℃，温度分布均匀，无局部热点，证实副反应与电流密度被有效均化；d)长循环曲线：0.2A恒流1100圈，面容量由6.7稳定至5.8mAhcm-2，容量保持85.87%，运行3715h(>154天)极化无增加；e)与近期SAZIB文献对比：该软包在面容量—寿命坐标中位于右上角，面积容量领先≥50%，循环次数提升2到5倍，率先实现高载量、高能量、长寿命一体化。

综上，作者介绍了一种氰基功能化g-C3N4梯度隔膜(G-CCN@GF)，通过致密正极侧CCN层锚定-催化多碘化物并激活潜伏反应位点，同时以稀疏负极侧薄层均匀化Zn2+通量抑制枝晶，实现高碘载量下锌-碘电池超高面容量的延长电池寿命。

该研究在150 mg cm-2碘载量下获得27.9 mAh cm-2面容量，40 mg cm-2级循环7200圈保持98.87%，60 cm2软包1100圈保持85.87%，能量密度达230.9 Wh kg-1(基于活性碘)，为静态水系锌-碘电池高能量密度、低成本、可放大应用提供了立即可实施的隔膜工程化新范式，有望直接用于电网级储能、户用储能及极端环境电源，兼具减碳与资源高效利用双重价值，对推动“双碳”目标实现具有重要现实意义。

A Gradient Functionalized Separator for Unlocking Latent Cathode Host Sites and Enhancing Zinc Anode DOD in Ultrahigh-Areal-Capacity Static Zn-I2 Batteries.Adv. Mater., 2026.https://doi.org/10.1002/adma.202523132.

文章来源：电池未来

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