张久俊院士颜蔚研究员郑云教授廖灿副教授 NanoEnergy：功能化隔膜设计持续构建含硝酸根的溶剂化鞘为高压锂金属电池保驾护航- 大数跨境

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张久俊院士颜蔚研究员郑云教授廖灿副教授 NanoEnergy：功能化隔膜设计持续构建含硝酸根的溶剂化鞘为高压锂金属电池保驾护航

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2025-07-01

导读：张久俊院士、颜蔚研究员、郑云教授、廖灿副教授， Nano Energy观点：功能化隔膜设计持续构建含硝酸根的溶剂化鞘为高压锂金属电池保驾护航

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文章信息

通过功能化隔膜设计在碳酸酯酯电解液中持续构建含硝酸根溶剂化结构用于提升锂金属电池高压稳定性

第一作者：廖灿

通讯作者：郑云*，颜蔚*，张久俊*

单位：福州大学

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研究背景

不可控枝晶生长和高压容量衰减是限制锂金属电池（LMB）大规模应用的主要原因。高效添加剂硝酸锂能有效优化界面化学，但其应用仍然存在碳酸盐-电解质溶解度有限和长时间循环过程中易损耗行为的挑战。本研究提出了一种创新的界面工程策略，即在隔膜表面引入介孔二氧化硅气凝胶负载的硝酸锂涂层，通过界面化学作用实现正/负极双界面调控。具体地，通过介孔二氧化硅通过对对碳酸乙烯酯的优先吸附作用，在阳极界面建立了富含硝酸根的溶剂化结构。该结构有利于形成具有优异离子电导率的富含 Li₃N 的固体电解质中间相，在抑制锂枝晶生长的同时有效提高了锂沉积动力学。同时，阴极界面得益于功能化隔膜调控过的溶剂化结构的影响，在NCM811表层原位氧化生成坚固的保护层，进而阻止电解液在 4.5 V 工作电压下的不良分解。得益于功能化隔膜涂层的作用，锂沉积/剥离的使用寿命超过 1800 小时，Li-Cu电池在 350 个循环中的平均库仑效率高达 98.25%。匹配的 NCM811//Li 全电池在 4.5 V 截止电压下循环 500 次后显示出 80.38 % 的高容量保持率，为开发长寿命高压锂金属电池提供理论指导。

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文章简介

近日，福州大学廖灿副教授、张久俊院士团队在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Engineering Durable Nitrate-Enriched Solvation Sheaths in Carbonate Electrolytes through Functional Separator Design for High-Voltage Lithium Metal Batteries”的研究论文。该工作通过隔膜涂层的界面化学工程解决了硝酸锂在碳酸酯电解液中难溶、易耗损的难题，持续构建出含硝酸根的溶剂化鞘层，实现对高压锂金属电池的长效保护。

图1. 功能化隔膜涂层界面稳定机制示意图

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本文要点

要点一：长效功能化隔膜涂层的设计

本工作使用介孔二氧化硅气凝胶作为硝酸锂的储存仓库，设计出硝酸锂负载率高达31.59%的复合纳米结构。利用介孔二氧化硅对稿介电碳酸乙酯的吸附特性，在隔膜界面处构建富含硝酸根的溶剂化鞘层，在溶剂化结构的界面调控和隔膜涂层的活性物质缓释双重加持下，实现电极界面的的持续修复与稳定，显著延长电池的循环寿命。

要点二：界面溶剂化调控实现优异的锂枝晶抑制

解决碳酸酯电解液与金属锂兼容性差和硝酸锂溶解度低的难题。功能化改性隔膜的使用，显著提升了碳酸盐电解液抑制锂枝晶的效果和金属锂的循环利用率，在锂-铜电池的 350 个循环中实现了 98.25 % 的超高平均库仑效率和超1800小时的超稳定Li-Li循环。

要点三：稳定CEI界面提升高压循环稳定性

得益于含有硝酸根溶剂化结构的易氧化特性，在NCM811电极表面原位构建出高离子电导率的CEI保护层。采用改性隔膜的 NCM811//Li 电池在 4.5 V 的高截止电压下实现了出色的循环稳定性，500 次循环后的容量保持率为 80.38%。此外，改隔膜的优异电化学性能也在袋式电池中得到了验证。

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文章链接

Engineering Durable Nitrate-Enriched Solvation Sheaths in Carbonate Electrolytes through Functional Separator Design for High-Voltage Lithium Metal Batteries

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111283

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第一作者简介

廖灿，副教授，福建省教育科研类引进生，福建省高层次人才，硕士生导师。主要研究方向为高性能安全锂电池隔膜与电解液的设计、制备及其相关性能的研究，聚焦于对锂枝晶的控制和电池阻燃性能的研究。目前发表SCI论文40余篇，以第一作者或通讯作者身份在Nano Energy、Angewandte Chemie、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等国际知名期刊上发表学术论文10余篇，申请发明专利2项。截止目前，发表论文总被引用超2000余次，H-index: 31。

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通讯作者简介

郑云教授简介：郑云，福州大学教授、博导，入选国家教育部海外引才专项，福建省引才“百人计划”、福建省“闽江学者”特聘教授，2024威立中国开放科学高贡献作者，2024全球前2%顶尖科学家，2024年度福州大学青年五四奖章（个人）。长期从事固态锂金属电池（新型柔性复合固态电解质）研究，共发表SCI论文近100篇，其中以第一作者或通讯作者在CSR、EER、PMS、PNAS、Joule、Angew、AM、AEM、AFM等期刊上发表科研论文50余篇，包括10余篇ESI高被引论文、热点文章和封面文章。申请/授权发明专利20余项，以第一作者发表全英文学术专著1本（CRC Press，2019）、中文学术专著1本（清华大学出版社，2024），主持/参与国家级和省级科研项目10余项。

颜蔚研究员简介：1998年于武汉大学取得电化学学士学位，2005年于武汉大学取得分析化学博士学位。2007年于南京大学化学化工学院博士后出站，并加入上海大学理学院，任职可持续能源研究院副院长，副研究员。2022年1月加入福州大学，任职新能源材料与工程研究院执行院长，研究员。主要从事电化学能源存储与转换：包括有Li/Na/K等碱金属离子电池，Li/Na/K等碱金属电池，金属-空气电池，铅碳电池和超级电容器等。

张久俊教授简介：中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中国化学会会士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学教授、博导，福州大学材料科学与工程学院院长、福州大学新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO2电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告850余篇，编著书30本，书章节47篇，被引用93000多次（H-Index为133）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊《Frontiers In Energy》期刊副主编。