西南石油大学黄韵教授，CEJ观点：胆甾相液晶调控锂沉积！离子协同作用构筑高稳定锂金属电池隔膜

第一作者：杜展鹏

通讯作者：黄韵，陶晶，马晓燕，钟雪鹏

单位：西南石油大学，四川卓勤新材料科技有限公司，西北工业大学，柏林工业大学

锂金属电池（Lithium Metal Batteries, LMBs）由于具有高达3860 mAh g⁻¹的理论比容量以及最低的电化学电位，被认为是下一代高能量密度储能体系的重要发展方向。然而，在实际应用中，锂金属负极仍面临严重的枝晶生长、库伦效率低以及固态电解质界面（SEI）不稳定等问题，这些问题严重制约了锂金属电池的安全性和循环寿命。隔膜作为电池内部正负极之间的重要功能组件，不仅承担隔离正负极的作用，还在离子传输和界面稳定性调控方面发挥关键作用。然而，传统聚丙烯（PP）隔膜表面非极性且孔结构不均匀，难以有效限制PF6⁻阴离子的反向迁移，容易导致负极表面锂离子浓度分布不均，从而诱发锂枝晶的快速生长。近年来，通过构建功能化涂层来调控离子传输行为并优化界面反应，已成为提升锂金属电池性能的重要策略。其中，天然高分子材料羟丙基甲基纤维素（HPMC）由于含有丰富的羟基和醚氧基团，能够与锂离子和阴离子产生相互作用，同时还具有形成胆甾相液晶结构的特性，为构筑有序离子传输通道提供了新的可能。

近日，来自西南石油大学黄韵教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Cation-anion synergistic interactions in ion-regulated cholesteric liquid crystal Hydroxypropyl methylcellulose coatings for lithium metal batteries”的观点文章。该工作通过引入不同半径的一价金属离子（Na⁺、Li⁺、K+）调控HPMC分子链的自组装行为，从而构建具有不同螺距的胆甾型液晶（CLC）结构，并将其作为功能涂层引入PP隔膜中。研究发现，离子调控不仅能够改变HPMC液晶结构的螺距，还能够通过阳离子–阴离子协同作用调节Li⁺传输与PF6⁻分布，从而促进富LiF的SEI膜形成，实现更加均匀的锂沉积。

研究人员通过引入Na⁺、Li⁺和K+三种不同半径的金属离子调控HPMC分子链间的相互作用，从而调节其胆甾型液晶结构的螺距。结构表征结果表明，随着阳离子半径的增大，HPMC液晶结构的螺距逐渐增大，其中K⁺调控的PP@HPK隔膜表现出最大的螺距结构。SEM分析显示，三种涂层均形成扁椭球状胆甾型液晶结构域，这种有序的液晶结构能够在隔膜中形成规则的离子传输通道。

DFT计算表明，HPMC分子链中的羟基和醚氧基团能够与Li⁺产生较强的结合能，显著强于Li+与电解液溶剂分子的相互作用。这种强相互作用能够促进Li⁺去溶剂化并加速其向负极表面的迁移。与此同时，HPMC结构对PF6⁻阴离子也具有较强吸附能力，从而限制阴离子的反向迁移。尤其是在具有较大螺距结构的PP@HPK隔膜中，PF6⁻能够被更有效地困于液晶通道中，从而促进其在负极界面的还原反应。

由于PF6⁻阴离子在涂层通道中的富集和还原，PP@HPK隔膜能够在负极表面形成富含LiF的稳定SEI膜，其中LiF含量高达30%。LiF具有高机械强度和优异的电子绝缘性，可有效降低锂沉积的成核过电位并抑制枝晶生长。电化学测试表明，该隔膜能够显著改善锂沉积形貌，实现更加均匀致密的锂沉积结构，从而提升电池循环稳定性。

在CLC结构调控下，HPMC涂层隔膜不仅能够有效优化锂沉积行为，还显著提升了电池的整体安全性。特别是在针刺测试中，电池未出现燃烧或剧烈热失控现象，展现出优异的安全性能。同时，该隔膜在长循环过程中依然保持稳定的电化学表现，体现出良好的应用潜力。

HPMC来源广泛、可再生，在PP表面具备良好的成膜性和结构可调性。本研究展示了生物基高分子材料在高性能锂金属电池隔膜中的应用潜力，为绿色储能材料的设计提供了新思路。

Cation–anion synergistic interactions in ion-regulated cholesteric liquid crystal hydroxypropyl methylcellulose coatings for lithium metal batteries

黄韵教授简介：博士，三级教授，四川省海外高层次留学人才、四川省第十批学术和技术带头人后备人选、国家留学基金委公派华盛顿州立大学访问学者。作为项目负责人或指导教师先后主持或指导国家自然科学基金、教育部博士学科点专项基金、四川省科技厅项目、国家重点实验室开放基金、国家级大学生创新创业训练项目和四川省教育厅项目20多项纵向基金。在高水平期刊上发表SCI论文170多篇；授权发明专利20多项。获省部级科技奖励2项。

杜展鹏：西南石油大学新能源与材料学院硕士，师从黄韵教授，致力于高性能锂电池隔膜的应用研究，以第一作者身份在Chemical Engineering Journal上发表论文1篇。此外，在Advanced Materials、Small、Materials Today Energy等期刊上合作发表3篇论文。