背景：

水系锌离子电池(AZIBs)由于具有较高的能量密度和固有的安全性，被认为是最有前途的大型储能系统之一。然而，锌负极的严重枝晶生长、正极的严重退化以及隔膜的有界性限制了AZIBs的应用。静电纺丝纳米纤维具有可控的纳米结构、高导电性和大比表面积等优点，在构建具有优异电化学性能的AZIBs方面具有巨大的潜力和广阔的应用前景。

近期，北京化工大学陈仕谋教授发表综述，介绍了静电纺丝纳米纤维材料在水性锌离子电池方面的最新进展。相关内容以“Recent advances in electrospinning nanofiber materials for aqueous zinc ion batteries”为题目，发表于期刊《Chemical Science》上。

本文要点：

1、本文首先简要介绍了静电纺丝技术的原理和工艺，以及AZIBs静电纺丝纤维的结构设计

2、综述了近年来静电纺丝纳米纤维在AZIBs中的研究进展，包括正极、负极和隔膜，重点介绍了纳米纤维的工作机理以及电极结构与性能之间的关系。

3、最后，展望了高性能AZIBs电纺纤维的发展前景。

一张图读懂全文：

静电纺丝纳米纤维在AZIBs中的最新进展是什么?

1、制备N掺杂碳纤维以改善正极材料的电子导电性。

2、制备亲锌碳纳米纤维间层以均匀Zn^2+沉积。

3、具有高孔隙率和优异柔韧性的聚丙烯腈(PAN)纳米纤维隔膜的制备。

4、核/壳结构纳米纤维电极材料的制备。

5、制备多孔结构静电纺丝纳米纤维，以提高比表面积和循环过程中体积变化。

6、氮化钒包埋氮掺杂碳纳米纤维(VN/N-CNFs)复合层叠结构的合成。

7、静电纺丝纳米纤维在AZIBs正极、负极和隔膜中的应用，以提高其电化学性能。

电纺纤维在高性能AZIBs中具有哪些挑战和前景？

挑战：

1、精确制备功能性纤维：电纺纤维的微观结构和性能受多种参数和聚合物溶液成分的影响。实现对纤维形态和性能的精确控制是需要解决的挑战。

2、机理的深入研究：理解电纺纤维材料在AZIBs中的工作机制需要深入的实验证据和先进的表征技术，以阐明锌离子的行为和锌枝晶的生长。

3、建立测试标准：有必要建立统一的测试标准，以评估基于电纺纤维的AZIBs的性能。

4、大规模商业应用：电纺技术的工业规模应用面临与使用有毒腐蚀性溶剂、昂贵的前驱体和较低的生产效率相关的挑战。提高生产效率并探索环保溶剂和廉价聚合物前体对于大规模商业应用至关重要。

前景：

1、提高性能：电纺纤维有望提高材料的电子导电性，促进离子扩散，并改善AZIBs的速率性能和循环能力。

2、结构稳定性：电纺纤维的多孔和柔韧性有助于保持电极的结构稳定性，容纳体积变化，并抑制活性材料的溶解。

3、可弯曲和可穿戴设备：电纺纤维可以用作无粘合剂的可弯曲电极，为可弯曲和可穿戴的AZIB设备的开发提供了前景。

4、新材料的开发：利用电纺纤维可以开发具有定制性能的新材料，例如亲锌和亲水性特性，以促进锌的均匀沉积并改善AZIBs的性能。

总之，虽然存在需要解决的挑战，但电纺纤维在高性能AZIBs中的前景是光明的，为提高能源存储系统的性能和结构稳定性提供了机遇。

图1静电纺纳米纤维用于AZIBs的研究进展时间表。

图2 (a)制备梯度复合薄膜的示意图。(b)升级后正极的循环性能和(c)倍率性能。(d) V₂O₅电极反应机理示意图。含V2O5的分层混杂纤维的(e)扫描电镜和(f)透射电镜图像。

图3 (a) N@C/V₂O₃复合材料的合成过程和结构示意图。(b)样品的SEM图像。(c)研究了N@C/V₂O₃正极在10 A g⁻¹时的循环能力和库仑效率。(d)掺铁V₂O₅的合成过程说明。(e) VCN纤维的TEM图像。(f)VCN在5 A g⁻¹下的长期循环性能。

图4  MnOx-CNFs的(a)合成过程示意图和(b) TEM图像。(c)MnS/MnO@N-CF合成过程。(d) MnS/MnO@N-CF的SEM和TEM图像。(f、g)Mn3O4@HCFs的透射电镜图像。(h) 0.4 A g⁻¹时Mn3O4@HCF电极的长循环性能和库仑效率。

图5  (a) Zn@TPZA的制备过程描述。(b)裸Zn和(c) Zn@TPZA在2 M ZnSO4电解液中浸泡30天后的SEM图像。(d)裸锌和Zn@TPZA负极在5mA cm⁻²/ 5mA h cm⁻²的循环性能。e) PBI纳米纤维框架修饰的Cu电极上Zn沉积示意图。(f)Zn@PBI-Cu在10 mA cm⁻²下100次循环后的SEM图像。(g)电池在1A g⁻¹下的长期循环性能。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D3SC05283D