河北科技大学孙国华教授等J. Power Sources.成果：沸石增强聚酰亚胺Janus隔膜用于无枝晶锂金属电池

第一作者：周一松

通讯作者：侯连龙*，李建华**，孙国华***，

单位：河北科技大学

锂金属电池（LMB）因其高理论容量和低电化学电位成为了下一代高能量密度储能系统的重要候选。然而，其商业化进程受到锂枝晶不可控生长及电极-电解质界面不稳定性的制约。目前，研究者们在优化电解质成分、构建人工固体电解质界面（SEI）以及设计三维锂金属宿主等方面取得了显著进展，而功能化隔膜对锂沉积的调控行为同样需要进一步开发研究。传统的聚烯烃基隔膜由于其非极性化学结构和热收缩的风险，存在着电解液浸润性差和安全隐患等固有缺陷。因此，迫切需要研发出具备阻燃性、尺寸稳定性以及优异枝晶抑制能力的新一代高性能隔膜。近年来，以电纺聚酰亚胺（PI）纳米纤维膜为代表的高性能聚合物隔膜，凭借其高孔隙率、优良的润湿性、无尺寸收缩以及优异的阻燃性受到了广泛关注，但静电纺纤维隔膜普遍存在机械强度不足的问题仍有待解决。因此，开发一种能协同增强机械性能并有效抑制枝晶生长的功能化PI基隔膜，对于推进高安全、高性能锂金属电池的实际应用具有重要意义。

近日，河北科技大学的孙国华教授等在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Zeolite-armored polyimide Janus separator for dendrite-free lithium metal batteries”的研究论文。文章中通过简易的真空抽滤法将USY型沸石沉积在聚酰亚胺纳米纤维膜表面，开发出一种功能化PI/USY隔膜，该设计能有效抑制纳米纤维间的滑移以提升力学强度，通过其复合隔膜的微孔结构调控锂离子传输，同时USY层可作为刚性屏障阻止锂枝晶穿透，本研究为功能型隔膜在抑制锂枝晶方面的应用提供了重要的理论和实验依据。

利用简易的真空抽滤法成功制备了具有Janus结构的PI/USY复合隔膜。填充在纤维膜缝隙中的USY以及PVDF粘接剂的协同作用限制了纳米纤维的滑移，赋予了PI/USY隔膜优异的机械强度（67.4 MPa）。此外，隔膜还具备了优异的阻燃性、耐热性（489.4 ℃）、高离子电导率（1.84 mS·cm^-1）。

密度泛函理论计算显示USY与锂离子的结合能（-3.73 eV和-3.18 eV）高于碳酸酯电解液组分（DEC：-2.14 eV，DMC：-1.99 eV，EC：-2.25 eV）、PI（-2.77 eV）以及PP（-1.36 eV），同时USY与电解液混合后的红外峰迁移也表明了其与锂盐存在相互作用。基于以上理论与实验结果，证实了USY与锂离子具有较强的吸附作用，可以调控锂离子均匀的传输，进而实现枝晶的有效抑制。

PI/USY隔膜组装的电池枝晶抑制效果显著。Li||Li电池表现出高锂离子迁移数（0.68）且在600小时的锂沉积/剥离循环中无显著极化，同时Li||Cu电池也具有较低的成核过电位（62 mV）和高平均库仑效率（86.1%），SEM也证实PI/USY隔膜组装的Li||Li和Li||Cu电池的锂片沉积的更为平整，直观证明了其抑制锂枝晶生长、实现均匀锂沉积的效果，表明PI/USY隔膜可有效提升锂金属电池的循环稳定性与安全性。

“Zeolite-armored polyimide Janus separator for dendrite-free lithium metal batteries”

孙国华，河北科技大学材料科学与工程学院校聘教授、副教授，硕士生导师，北京化工大学材料科学与工程专业工学博士，2024年入选“全球前2%顶尖科学家榜单”、《中国塑料》期刊青年编委会委员、河北省检验检测学会技术专家、河北省创造创新学会理事，主要从事聚酰亚胺纳米纤维/聚苯并咪唑纤维的制备、改性及其应用研究。主持和参与国家级、省级等纵向课题8项，主持企业委托等横向课题10余项，授权中国发明专利3件，相关研究成果以第一作者或通讯作者在Nano-Micro Letters、SCIENCE CHINA Chemistry、ACS Sustainable Chem. Eng.、Journal of Membrane Science等期刊发表SCI学术论文25篇。

李建华，教授级高工，北京化工大学材料科学与工程专业工学博士，美国阿克伦大学高分子系访问学者，河北省“三三三人才工程”第二层次人选，北京化工大学材料科学与工程学院专业学位博士生研究生企业导师，《塑料工业》青年编委，唐山开滦化工科技有限公司执行董事。长期从事化工、环保等领域的新材料、新技术、新产品开发和工程转化工作，承担或参与了国家、河北省、唐山市科技计划项目9项，获河北省科技进步二等奖2次、三等奖3次，拥有授权发明专利30余项，在国内外发表论文10余篇。

周一松，男，硕士，就读于河北科技大学材料科学与工程学院，主要聚焦于聚酰亚胺纳米纤维隔膜的材料研究。