水系锌电池（AZBs）因其低成本、高安全性，被视为大规模电化学储能技术的重要候选者。在众多水系锌金属电池体系中，锌碘电池凭借碘正极的独特优势脱颖而出。碘元素在海水中的含量丰富（50-60 μg L^-1），且其理论比容量高达211 mAh g^-1，使其在储能领域极具应用前景。尽管锌碘电池展现出显著优势，但其实际应用仍面临挑战。在锌负极侧，循环过程中锌枝晶的形成以及界面处的副反应（如析氢反应、钝化和腐蚀）导致锌利用率低、循环稳定性差。在碘正极侧，放电过程中生成的多碘化物（I₃^-、I₅^-等）易从正极溶解至电解液中，导致库伦效率降低和活性物质的不可逆消耗。此外，多碘化物会通过“穿梭效应”迁移至锌负极侧，与锌发生反应（Zn +I₃^-→ Zn²⁺ + 3I^-）引发不可控的自放电和锌腐蚀，显著缩短电池寿命。

  为此，武汉大学周金平教授课题组和陈朝吉教授课题组合作，开发了一种具有Janus结构的生物基高分子隔膜，用于实现锌碘电池的双界面协同调控。

  2026年3月29日，该研究成果以“A Universal Janus Biopolymer Separator Enabled Dual-Interfacial Regulation toward Dendrite-Free and Shuttle-Free Zinc-Iodine Batteries”为题发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.72959）上，武汉大学化学与分子科学学院硕士研究生朱彦博和张皓东博士后为共同第一作者。

  本研究利用带相反电荷的典型生物基高分子（即壳聚糖CS和海藻酸钠SA），通过简单的逐层溶液流延法制备了生物基高分子Janus隔膜（CSSA）。在锌负极侧，SA中丰富的羧基（-COO^-）与Zn²⁺强配位以调控沉积/扩散行为，同时静电排斥多碘化物，抑制锌金属腐蚀；在碘正极侧，CS中的氨基（-NH₃⁺）化学锚定多碘化物，并在电极界面处加速其氧化还原转化。基于CSSA隔膜的锌碘全电池在5 A g^-1下循环超20,000次，容量衰减率低至每循环0.01‰。此外，通过两步流延法可以极低的成本实现规模化制备，展现出良好的大规模应用潜力。同时，该策略还具有良好的普适性，可扩展至多种天然带电生物大分子，为构筑兼具快速动力学和长寿命的水系锌电池提供了可规模化新途径。本研究为设计可持续生物聚合物隔膜、实现无穿梭效应及长循环水系锌碘电池提供了全新思路（图1）。

图1. 生物基高分子Janus隔膜的设计思路

图2. CSSA隔膜的制备和表征

  作者首先通过扫描电子显微镜和红外光谱证实了CSSA隔膜Janus结构的成功构筑。X射线光电子能谱分析进一步验证了Zn²⁺与-COO^-及-NH₃⁺基团之间的配位作用。该隔膜展现出优异的机械性能，湿态下的韧性达2.38 MJ m^-3，远高于玻璃纤维隔膜；且经超过10,000次折叠后，其Janus结构依然保持完整。低场核磁共振与拉曼光谱分析表明，CSSA隔膜通过极性基团与水分子构建强氢键网络，有效调控水分子的存在状态，将自由水比例由99%降至近0%，从而显著抑制了水分子的活性，减少了副反应的发生，并提升了电池的稳定性（图2）。

图3. 锌碘全电池的电化学性能

  作者进一步探究了CSSA隔膜组装的锌碘全电池的电化学性能。循环伏安测试表明，CSSA隔膜能够平衡SA层与CS层在锌沉积和碘氧化还原过程中的不同催化行为，协同优化反应动力学。倍率测试显示，在100至5000 mA g^-1的电流密度范围内，CSSA隔膜体系的放电比容量均优于玻璃纤维隔膜，并展现出更低的极化电压。在循环稳定性方面，CSSA隔膜体系在5000 mA g^-1下循环20,000次后，每圈的容量衰减率低至0.01‰。此外，软包电池进一步证实了其实际应用潜力：采用CSSA隔膜组装的电池在1000 mA g^-1下循环500次后，仍可保持145 mAh g^-1的放电比容量（图3）。

图4. SA层稳定锌负极循环稳定性的机理研究

  作者通过比较不同隔膜在Zn||Zn对称电池中的性能，系统揭示了SA隔膜对锌负极稳定性的调控机制。循环性能测试结果表明，采用SA隔膜的电池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下可稳定循环超过1500小时，而玻璃纤维隔膜电池迅速失效。即使在60%放电深度或低电解液容量比条件下，SA隔膜仍能维持长时间稳定运行。原位光学显微镜观察发现，SA隔膜能够引导均匀的锌沉积，有效抑制枝晶生长；原位拉曼光谱进一步证实，SA隔膜可缓解浓度极化，维持均匀的Zn²⁺通量。密度泛函理论计算表明，SA与Zn2+的结合能（-2.43 eV）显著高于水分子（-1.06 eV），有利于捕获溶剂化Zn²⁺并降低去溶剂化能垒。Tafel与线性扫描伏安测试进一步证实，SA隔膜能有效抑制析氢及腐蚀副反应（图4）。

图5. CSSA实现多碘化物的固定与穿梭效应的抑制

  为了研究CSSA隔膜中SA层与CS层对碘正极的调控机制，作者采用实验验证与理论计算相结合的方法，系统阐明了两者在抑制多碘离子穿梭、吸附多碘离子以及促进碘物种转化过程中的协同作用与功能差异。H型电解池测试结果表明，SA隔膜与CSSA隔膜均能有效抑制多碘离子的穿梭。紫外-可见光谱进一步显示，CS隔膜与CSSA隔膜对多碘离子具有更强的吸附能力。此外，理论计算结果揭示，SA与多碘离子之间表现为静电排斥，而CS层则呈现强吸附作用，且CS层能显著提高碳表面与I₂物种的吸附能，同时将I₃^-还原为I^-的吉布斯自由能从3.40 eV降低至2.10 eV，表明CS层可促进碘物种的转化动力学。原位拉曼光谱进一步证实，采用CSSA隔膜的电池在循环过程中，碘正极表面未检测到多碘离子的信号；而采用玻璃纤维隔膜的电池则出现明显的特征峰，充分证明了CSSA隔膜在抑制多碘离子穿梭方面的优异性能（图5）。

图6. 生物基高分子Janus隔膜设计策略的普适性探究

  最后，作者进一步验证了该Janus隔膜策略的普适性。将SA替换为其他带负电的生物大分子（羧甲基纤维素、透明质酸、卡拉胶、果胶）后，所制备的Janus隔膜同样能通过负电性表面配位Zn²⁺、静电排斥多碘离子，并与CS层构筑稳定双层结构。理论计算表明，以上生物基聚合物与Zn²⁺的结合能均显著高于Zn²⁺-H₂O，证实了其促进去溶剂化的能力。所制备的Janus隔膜均展现出优异的韧性和弹性模量，在1000 mA g^?1电流密度下放电容量均超过167 mAh g^-1、容量保持率高于75%，证明了该设计策略的普适性（图6）。

  综上所述，本研究采用简单的连续溶液浇铸法，成功制备了一种由负电性SA层与正电性CS层组成的Janus生物基高分子隔膜。其中，SA层通过-COO^-基团促进Zn²⁺的传输并引导其均匀沉积，同时利用静电排斥作用抑制多碘离子的扩散，从而减轻碘诱导的腐蚀；CS层则凭借-NH₃⁺基团对多碘离子实现强效吸附，既缓解了穿梭效应，又促进了碘物种的转化。得益于该双界面的协同调控，锌碘全电池在5 A g^-1下循环20,000圈后，每圈容量衰减率低至0.01‰。此外，该策略可拓展至多种生物基聚合物，为开发可持续、长寿命的水系锌碘电池提供了普适性方案。

  此研究工作得到了国家自然科学基金（52173106、22375154、22461142135）的资助。同时感谢武汉大学分析测试中心和科研公共服务条件平台对材料表征测试的支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.72959