青岛大学谭利文、山东大学冯金奎、浙江大学张坤，最新AFM综述：生物基隔膜——破解二次电池金属负极难题的新策略

第一作者：李怀彪

通讯作者：张坤，冯金奎，谭利文*

单位：青岛大学

近年来，随着全球电能需求的持续增长，对电池的经济性、安全性等性能的提升提出了更为迫切的要求。然而，金属负极方面的问题，如枝晶生长和副反应等，严重制约了下一代高性能金属基二次电池技术的发展。与当前市场上广泛使用的隔膜相比，生物基隔膜凭借其可控且均匀的孔径结构、丰富的官能团，以及优异的机械和电化学性能，在应对负极问题方面展现出独特的先天优势与发展潜力。本文系统综述了生物基隔膜的主要类别、结构与性能特点，并阐述了其作为隔膜材料所具有的突出特性。在此基础上，总结了常见的隔膜制备方法，并详细探讨了其在不同电池体系中的应用。进一步地，对生物基隔膜在解决金属负极问题中的作用机理进行了分析与归纳。最后，对生物基隔膜目前面临的研究挑战及未来发展方向作出了展望，以期为从事电池隔膜研究的学者，尤其是新进入该领域的科研人员提供参考与启发。

近日，青岛大学谭利文副教授与山东大学冯金奎教授、浙江大学张坤博士合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Bio-Based Separator Engineering Toward Better Metal Anodes in Rechargeable Batteries: Progress and Perspectives”的观点文章。该文章分析了当前生物基隔膜在提升金属负极稳定性方面的作用机理，重点关注其对隔膜-电解液与隔膜-负极界面的影响，系统综述了其在不同电池体系中的应用现状并探讨了其面临的问题与未来发展趋势。

生物基材料因其成本低、可再生和环保等特性，在电池隔膜领域展现出巨大的应用潜力。本文根据生物基隔膜的主要材料来源，将其归纳为纤维素及其衍生物、壳聚糖、藻酸盐以及木质素等几大类。

生物基隔膜的制备方法较为多样，但基本流程较为相似：首先需选择合适的原材料，其次通过实验确定最佳配方比例，最后通过严格控制工艺制得隔膜。在性能要求方面，各类生物基隔膜均需满足以下关键条件：为缓解负极问题，隔膜不仅应具备适宜的孔径大小与分布，以增强对电解液的润湿性，从而实现电场与离子通量的均匀分布；还应促进金属阳离子的快速迁移，优化其沉积动力学，从而有效抑制金属枝晶的形成与生长。

基于生物基隔膜在解决金属负极方面所具有的优异天然特性和发展潜力，生物基隔膜正被广泛应用于锂离子电池（LIBs）、锌离子电池（ZIBs）等多个电池体系的研究中。

研究者们在提升电池隔膜性能方面进行了诸多尝试，但其对负极的作用机理因材料与结构的不同而有所差异。这些机理主要可从物理和化学两个方向进行分析。在物理层面，可通过调控隔膜自身的物理特性——如构建均匀的孔隙结构以促进电场/离子通量均匀分布等——实现对金属沉积行为的物理引导。而在化学层面，生物基隔膜的作用则主要体现在隔膜-电解质界面和隔膜-负极界面处的化学调控机制。

Bio-Based Separator Engineering toward Better Metal Anodes in Rechargeable Batteries: Progress and Perspectives

谭利文副教授，硕士生导师，青岛大学特聘教授。2019年博士毕业于青岛大学材料科学与工程学院，师从夏延致教授，随后在山东大学冯金奎教授课题组从事博士后研究工作。2022年加入青岛大学省部共建生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室。主要从事高能量密度二次电池关键材料、阻燃高分子材料和海藻纤维产业化及应用等方面研究。近5年在ACS Nano, Energy Storage Materials, Advanced functional materials, Small, Chemical Engineering Journal等期刊发表论文30余篇，ESI高被引论文4篇。

冯金奎教授，博士生导师，入选国家级青年人才，山东省杰青，泰山学者青年专家，山东大学材料物理化学研究所副所长。1999-2008本硕博毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2008-2012在新加坡国立大学和美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作，2012年至今在山东大学材料科学与工程学院工作。主要研究从事高能量密度二次电池材料研究。共发表SCI论文200余篇，他引9000余次。担任Nature Publication Group 旗下刊物Scientific Reports 编委、高起点期刊ChemPhysMate编委、Energy & Environmental Materials、Susmat、Rare Metals、Infomat、Tungsten、工程科学学报青年编委，长期招聘博士后。

张坤博士：现任苏州市材科源图科技有限公司副总经理，浙江大学博士后。张坤博士专注于能源与计算化学结合的学术及产业化领域，曾担任多家能源环境技术类公司技术总监，主导完成多个技术服务类项目，合同累计总额超千万元。近五年在AFM、JPCL、JMCA、JCIS、CEJ、ASS和JES等国际优秀期刊以第一作者（含共一）或通讯作者发表论文二十余篇，发明专利两项。担任2025年浙江省“尖兵领雁+X”科技计划项目“大功率全钒液流电池关键技术开发及产业化应用”浙江大学温州研究院总负责人。