天津工业大学康卫民教授 Small 综述：静电纺丝纳米纤维在锌电池的进展、构效关联与瓶颈

发布时间：2026.10.29
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一、锌基电池的机遇与现实困境

随着大规模储能、可穿戴柔性电子设备快速发展，高安全、低成本、环境友好的储能技术受到学界与产业界广泛关注。以金属锌为负极的锌基电池（包括水系锌离子电池、锌—空气电池、锌—金属电池、锌—碘转换电池等），拥有较高理论比容量、本征安全、地壳锌资源储量充足等突出优势PMC。

目前，各类体系已经取得不少进展，但多重相互耦合的瓶颈尚未完全破解：

充放电过程中 Zn²⁺分布不均尖端效应催生锌枝晶；枝晶会刺穿隔膜造成短路，脱落形成无活性 “死锌”；同时水和锌发生析氢、腐蚀，生成碱式盐副产物，进一步钝化电极，循环快速跳水。
锰基、钒基等主流正极本征导电性差；锌离子反复嵌入脱出带来巨大体积胀缩，造成结构粉化坍塌；锰 / 钒离子溶解流失，容量持续衰减。
Zn²⁺电荷密度高，水合离子脱溶剂化能垒大，离子迁移慢，大倍率下性能拉胯。
传统玻璃纤维隔膜孔径无序、力学弱，无法主动调控锌离子流向；普通水凝胶电解质很难同时兼顾高离子电导率、机械强度、抑制水活度，柔性器件界面接触差。

静电纺丝技术为此提供了有效的解决思路：所得纳米纤维既可用作锌负极保护层、正极骨架，也可用于隔膜改性以及凝胶电解质基体构筑，能够适配扣式、软包、线缆型、三明治构型等多种锌基电池器件，满足柔性电子设备的形变使用需求。

不同于过往相关的综述研究多从材料类别或者单一应用场景展开论述；天津工业大学康卫民教授研究团队近期在《Small》发表的综述，构建了离子—空间—界面协同调控的分析框架，把前驱体设计、纤维微观构型、材料功能、电池电化学性能建立对应联系，覆盖负极、正极、隔膜、凝胶电解质、空气电极全组件，厘清 “结构—功能—机理” 的内在逻辑，同时客观指出现存短板。

二、典型锌基电池体系及其核心失效机制

1.水系锌离子电池

图1.水系锌离子电池示意图

原理：依靠Zn²⁺在正负极之间往复迁移实现充放电储能。
核心难点：Zn²⁺电荷密度高，脱溶剂化阻力大；负极充放电时锌不均匀电镀—剥离易产生枝晶、析氢腐蚀；正极循环发生晶格畸变、活性物质溶出流失。

2.锌—空气电池

图2.锌—空气电池示意图

原理：依靠靠锌负极氧化还原与空气正极氧还原（ORR）/ 氧析出（OER）电化学反应实现能量存储。
核心难题：锌负极枝晶、析氢、ZnO 钝化；电解液失水碳酸化；空气电极三相界面构建难，双功能催化剂成本高、稳定性差；柔性体系还受凝胶电解质力学、保水、界面接触限制。

3.锌—金属电池

图3.锌—金属电池示意图

原理：依靠锌负极可逆溶解析出，搭配金属 / 金属化合物正极氧化还原实现能量存储。
核心难题：锌负极不稳定，正极相变溶解加速失效，需要多组件协同优化。

4.转换型锌电池

图4.转换型锌—碘电池示意图

原理：依靠硫族 / 卤素体系氧化还原储能。
核心难题：多硫化物、多卤化物穿梭，腐蚀锌、损耗活性物质，库伦效率下降；反应动力学迟缓，厚电极离子输运差，阻碍高面容量器件开发。

三、静电纺丝技术：原理、参数与纤维构型

图5.用于锌基电池的静电纺丝技术概述

1.静电纺丝基本原理

静电纺丝核心是高压电场作用于聚合物溶液 / 熔体。当喷丝电压超过临界值，液滴表面静电斥力克服表面张力，形成泰勒锥；带电射流飞出后，在电场下持续拉伸、溶剂挥发，纤维固化，最终在接收装置上沉积成为无纺布状纳米纤维膜。

2.关键参数对纤维形貌的调控

溶液参数：分子量、浓度、粘度、电导率等，浓度不当易产生串珠或粗纤维；电导率越高纤维通常越细。
环境参数：环境湿度、温度。高湿度容易诱发相分离，在纤维表面生成微孔；温度改变溶剂挥发速率与体系粘度。
设备参数：电压、接收距离、推速、收集器类型，调控射流拉伸与溶剂挥发，最终决定纤维类直径、孔隙与表面形貌。

3.锌基电池纳米纤维材料的制备路径

前驱体工程与共纺：单喷头共混把 MOF、无机颗粒直接混入纺丝液；同轴 / 多轴纺丝可制备核—壳、Janus 非对称、多通道中空纤维，实现功能组分空间分区。
模板—牺牲相策略：利用聚合物（PS、PVP）热解或者无机硬模板（SiO₂）刻蚀去除牺牲相，构建中空、多通道、分级孔道结构。
后处理与表面改性：对成型纤维碳化、硫化、化学接枝、原位生长晶体，在纳米尺度引入亲锌、催化位点，保留原有纤维骨架。

同时静电纺丝纳米纤维十分丰富拥有几何构型：实心棒、中空管、多通道管、多孔纤维、核壳、多级分支、串珠、三维螺旋纤维等。不同构型对应不同电化学功能：

中空 / 多通道：缓冲活性材料体积变化，缩短离子扩散路径，提供电解液存储空间；
分级多孔结构：提升活性位点暴露，强化传质；
核—壳 / Janus：不同功能组分空间隔离，分别承担催化、离子传导、保护功能；
三维互连网络：均化电流密度，缓冲体积形变，适配柔性形变。

材料体系覆盖纯有机聚合物、无机氧化物 / 硫化物、有机—无机复合，碳基复合纤维是储能领域应用最多的一类。

四、静电纺纳米纤维在锌基电池组件的应用

图6.静电纺丝结构纳米纤维在锌基电池中的应用

1.锌负极保护层

静电纺丝保护层依靠三维纤维网络均化电流、引入亲锌位点调控 Zn²⁺沿（002）晶面平稳沉积，并构筑隔离界面，缓解析氢与腐蚀。典型体系包括 MCFs 多胶囊碳纤维、磺化醋酸纤维素 SCA、PAN/PMMA 复合纤维，分别实现高面容量、抑制碘穿梭、加速脱溶剂化等效果。值得注意，亲锌位点亲和力需要平衡，过强吸附反而阻碍锌迁移。

2.正极材料设计

以自支撑碳纳米纤维骨架解决正极导电差、体积膨胀、活性组分溶出三大痛点。锰基、钒基氧化物负载于纤维网络，依靠连续碳通路导电、骨架限域缓冲胀缩；异质结、硫化物等体系可强化催化动力学。碳纤维不只是导电填料，同时承担离子输运、结构约束多重功能，需根据不同正极失效机制定制纤维结构。

3.静电纺丝改性隔膜

区别于传统玻璃纤维隔膜，电纺隔膜可实现主动离子调控：通过极性基团、两性离子、MOF、二维填料改性，重构 Zn²⁺溶剂化鞘层，提升锌离子迁移数，筛分并抑制金属离子、多碘物种穿梭，同时提升力学抗穿刺能力。

4.柔性 / 准固态凝胶电解质骨架

静电纺丝纤维作为凝胶增强骨架，缓解离子电导与力学强度的矛盾。纤维上极性基团束缚自由水、降低水活度；三维网络提升凝胶韧性，适配弯折工况，同时搭建连续离子通道，改善电极 - 电解质界面接触，适合柔性锌空气等器件。

五、现存关键挑战

静电纺丝纳米纤维虽然在实验室电化学表现优异，但规模化储能应用仍面临五大难题：

放大制备难：小试样性能好，大面积制备时纤维结构不均、批次稳定性差，后处理能耗高、不便于量产对接。
动态机理不清：多为循环前后离线表征，纤维、界面在电池工作时的实时演化规律缺少原位证据，构效关系难以定量。
功能难以兼顾：多孔、高离子传导、力学强度、导电催化等性能互相制衡，单纤维体系不易多功能协同。
评价脱离实装工况：文献多在低载量、多电解液的宽松条件测试，缺少高面容量、软包电池下的验证标准。
缺少跨组件协同思路：多数研究单独优化负极、正极或隔膜，但锌电池内部多因素强耦合，单点改良难以根治失效问题。

DOI：10.1002/smll.76241

六、佛山微迈——静电纺丝设备解决方案

面向锌基电池纳米纤维材料研发，设备的多功能性、工艺重现性与环境调控能力是核心刚需。

佛山微迈 E04 多功能静电纺丝机搭载变频除湿系统，兼容多类型喷头与接收装置，可很好匹配这类研发需求：

可制备多种类型的纳米纤维：支持同轴及多组分静电纺丝，从而制备核壳结构、中空及多孔纤维。适用于锌负极保护层、功能型隔膜、正极前驱体等的锌基电池组件。
精确的闭环温湿度控制：内置集成式变频除湿系统，可稳定静电纺丝环境，确保不同批次纤维膜的一致性。
数据存储与追溯：电压和喷射速率等参数可保存并调取，便于重复实验。

在大面积静电纺丝纤维膜工业化制备环节，工艺放大极易带来纤维分布偏移、孔径离散、活性位点分布不均等缺陷，造成电池器件性能不稳定，成为锌基电池纳米纤维组件产业化的主要阻碍。

佛山微迈自研静电纺丝量产设备直击行业痛点，核心优势如下：

优异的幅面均一性：弱化放大效应带来的性能劣化，宽幅卷材全域稳定管控纤维直径、孔径波动，保障整卷膜材一致性；
可控均匀的功能位点：实现纤维膜表—内部活性位点均匀分布，抑制因局部材料不均导致的锌枝晶、界面副反应等问题；
宽泛的配方适配能力：兼容各类高分子、复合前驱体，适配锌负极保护层、功能隔膜、凝胶电解质骨架等多种锌基电池组件；
卷对卷连续化生产：实现卷材连续制备，生产工况稳定，产品良率可控，降低规模化生产成本。

设备可承接实验室成熟配方开展工艺放大，助力锌基电池纳米纤维材料完成从实验室样品向工程化产品的转化落地。

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