【导读】

隔膜在内部电场下的静电效应常被忽视，这导致传统理论模型的不可靠性。2025年5月26日，东华大学朱美芳院士、徐桂银团队在Nature Communications期刊发表题为“Electron displacement polarization of high-dielectric constant fiber separators enhances interface stability”的研究论文，团队成员张陶为论文第一作者，徐桂银、朱美芳院士为论文共同通讯作者。

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该研究引入介电常数作为描述符，并开发了一种以磷酸化纤维素为主要成分的高介电常数纤维隔膜。在内部电场作用下，高介电常数隔膜内强烈的电子位移极化可增强电荷转移动力学并优化溶剂化结构，从而抑制固液界面无定形有机低聚物的形成。此外，该隔膜可诱导LiF的生成，进而形成坚固且低电阻的固液界面。该隔膜表现出高离子电导率（25 °C时为0.76 mS cm⁻¹）和Li⁺迁移数（0.68）。因此，采用所制备隔膜的Li||LiFePO₄软包电池在实际用量的活性材料和电解液条件下，实现了超过350 Wh kg⁻¹（相对于软包电池质量）的高比能量。

【正文】

研究人员探索了不同介电常数纤维隔膜在电场下的响应行为。通过理论与实验分析，研究人员在均匀内部电场前提下，研究了高介电常数隔膜对碱金属电池负极表面的影响。电池的内部电场增强了隔膜的电子位移极化，优化了碱金属离子的转移动力学与溶剂化结构，同时诱导形成富含LiF且低聚物含量少的坚固SEI。此外，高介电常数隔膜可调控电场密度分布，缓解金属电极中的尖端效应。通过应用该高介电常数隔膜，碱金属电池的电化学性能与循环稳定性显著提升。研究人员将该策略拓展至湿法工艺，以经济可行的生物材料为原料实现了高介电常数隔膜的规模化生产。该策略为长寿命碱金属电池的隔膜设计提供了新见解，并提供了工程化解决方案。

图1.高介电常数隔膜的设计

图1a 高介电常数区域促进锂离子去溶剂化及其对金属负极尖端效应影响的示意图。右下角插图对应高介电常数区域（蓝线）和低介电常数区域（红线）的电场强度分布。图1b 各种商用隔膜与ANF、CS和PCS的介电常数及成本对比。成本以美元每平方米（$ m⁻²）表示。图1c PC与纤维素（计算纤维素分子链的两个重复单元）的能隙。存在CS和PCS时Li-DEC和Li-EC的RDF（图1d）及集成配位数（图1e）。图1f 基于CS和PCS周围4 Å内分子分布的Li⁺比例；插图：PCS链（蓝色线框）和CS链（红色线框）存在时Li⁺的主要分布形式。（图1g）和（图1h）分别为有电场和无电场条件下，[Li(EC)₃(DEC)]⁺分步去溶剂化过程中PCS和CS对去溶剂化能的影响。

图2.PCS对金属负极中Li⁺沉积的影响

图2 a 使用奥巴赫法在EC/DEC溶剂的1 M LiPF₆电解液中，含PCS和CS的Li||Cu电池的库仑效率。含CS（图2 b）和PCS（图2 c）的Li||Cu电池的时间控制CCD。电镀/剥离流程以0.2 mA cm⁻²的电流密度开始，每循环一次电流密度增加0.2 mA cm⁻²，每个电镀步骤维持1 小时。含PCS和CS的Li||Li对称电池的倍率性能（图2 d）和长期电镀/剥离性能（图2 e）。循环20次（1 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²）后，含CS（图2 f）和PCS（图2 g）的Li||Li对称电池中锂负极的CLSM图像及表面粗糙度曲线。含CS（图2 h）和PCS（图2 i）的Li||Li对称电池中锂沉积的俯视SEM图像（1 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²）。图2 j 存在CS和PCS时LiPF₆的计算解离能及F–P原子距离。k PCS、CS和PP的ESP对比。

图3.SEI化学成分分析

图3 a 使用PCS和CS的Li||Li对称电池在电流密度1 mA cm⁻²、容量1 mAh cm⁻²下循环电镀/剥离20次后，SEI的F 1s和Li 1s XPS能谱。图3 b 存在PCS时SEI的冷冻TEM放大图像，其中锂以0.5 mA cm⁻²的电流密度和0.5 mAh cm⁻²的容量沉积在铜网上。LiF、Li₂CO₃、LiO₂和镶嵌结构分别用蓝色、橙色、白色和红色线条勾勒。图3 c 低放大倍数冷冻TEM图像及对应的C、O、F元素分布。图3 d和图3 e分别为使用PCS和CS的Li||Li对称电池在1 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻²条件下循环20次后，循环锂表面若干典型二次离子碎片的3D渲染图像。（图3 f）和（图3 g）为TOF-SIMS测量得到的使用PCS和CS的循环锂表面二次离子碎片归一化溅射深度分布曲线。

图4.使用PCS隔膜的电池电化学性能

含（图4 a）CS和（图4 b）PCS的Li||LFP电池在25 °C、1 C电流密度下循环时的原位DRT光谱。图4 c 高介电场中R_ct和R_SEI降低的示意图。图4 d 含PCS和PP隔膜的Li||LFP电池的倍率性能（1 C = 170 mA g⁻¹）。含（图4 e）PP和（图4 f）PCS隔膜的Li||LFP电池在0.5 C和1 C电流密度下的长期循环性能。图4 g 含PCS隔膜的Li||LFP软包电池在0.5 C下的循环性能，比能量基于Li||LFP软包电池质量（2.6 g）计算。含（图4 h）PCS和（图4 i）GF隔膜的Na||NVP电池的倍率性能（1 C = 117.6 mA g⁻¹）和循环性能。

总之，通过电池内部电场与高介电常数隔膜的协同作用，该研究展示了一种促进隔膜-负极界面反应以构建稳定碱金属电池的策略。综合模拟和表征表明，高介电常数隔膜在推动电场密度规则分布中起关键作用。此外，高介电常数PCS在电场下发生强烈电子转移，促进LiF生成并降低SEI中Li⁺迁移的能垒。得益于电场驱动的电子位移极化，高介电常数隔膜与碱金属离子的相互作用增强，优化了碱金属离子的溶剂化结构和动力学，从而抑制了SEI处有机溶剂分子的反应。与商用PP或GF隔膜相比，采用所制备的高介电常数隔膜的Li和Na金属电池均表现出更优的循环稳定性。这些进展对于阐明电池复杂环境中隔膜-负极界面的反应机制具有重要意义。此外，这种简单的高介电常数隔膜设计策略在碱金属电池中具有广泛应用潜力。

【作者介绍】

朱美芳：中国科学院院士，长期从事纤维材料的功能化、舒适化和智能化研究，取得了系统的创新性成果。现任先进纤维材料全国重点实验室主任，美国纤维学会管理委员会委员(The Fiber Society(美国),Governing Council Members(2019-2021))；第七届国务院材料科学与工程学科评议组成员；教育部高等学校材料类专业教学指导委员会副主任委员(2018-2022)；中国材料研究学会副理事长；中国纺织工程学会第25届理事会化纤专业委员会副主任、中国化学会高分子学科委员会副主任；Advanced Fiber Materials, Editor-in-Chief。朱美芳教授提出并建立了热塑性聚合物纤维功能化设计思路和全流程功能化技术体系，解决了合成纤维兼具功能性和舒适性的难题，创建了介观诱导制备智能纤维的新方法，推动了我国纤维质量“由低到高”、产业“由大到强”的重大进步。成果在全国30多家企业实现了产业化，取得了显著的社会和经济效益。发表SCI论文300多篇，出版《纳米复合纤维材料》等著作10部（章）；获授权发明专利160余件、PCT6件。组织国际会议20余次，应邀作国际会议特邀报告60余次。以第一完成人获国家科技进步二等奖、上海市自然科学一等奖、上海市技术发明一等奖等10余项。朱美芳教授是纤维材料研究领域的学术带头人、国家杰出青年基金获得者、科技部重点领域创新团队负责人。曾获何梁何利基金科学与技术青年创新奖、中国青年科技奖、桑麻基金会纺织杰出青年学者奖、中国青年女科学家奖、全国创新争先奖、国家教学成果二等奖、宝钢优秀教师特等奖和上海市“四有”好教师（教书育人楷模）。所带团队入选首批“全国高校黄大年式教师团队”。

徐桂银：麻省理工学院博士后，上海市海外高层次人才，先进纤维材料研究所技术总监、技术战略委员，东华-纳琳威功能膜研发中心副主任。主要致力于功能纤维膜材料在绿色能源与环境修复中应用，近年来在国际权威期刊上共发表SCI论文90余篇，被引9000余次，H因子46 (Scholar Google，2023年06月)。以项目负责人身份主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目等。获首届工信部创新创业奖、江苏省自然科学奖、江苏省科学技术奖、江苏省优秀博士学位论文等荣誉。

【原文信息】

Tao Zhang, Xiaoqing Zhu, Jiyang Xiong, Zhixin Xue, Yunteng Cao, Keith C. Gordon, Guiyin Xu ^* & Meifang Zhu ^*. Electron displacement polarization of high-dielectric constant fiber separators enhances interface stability. Nat. Commun. 16, 4867 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-60256-9