西北工业大学罗志轩、王建淦等人，ESM综述高能二次金属电池隔膜的设计策略和最新进展- 大数跨境

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西北工业大学罗志轩、王建淦等人，ESM综述高能二次金属电池隔膜的设计策略和最新进展

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2025-07-14

导读：西北工业大学罗志轩、王建淦等人，Energy Storage Materials综述高能二次金属电池隔膜的设计策略和最新进展。

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文章信息

高能二次金属电池隔膜工程：基础原理，设计策略与展望

第一作者：罗志轩

通讯作者：王建淦*

单位：西北工业大学，青海大学

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综述背景

二次金属电池（如 Li、Na、K、Zn、Mg 基电池）因负极具有极高的理论比容量，在下一代储能技术中展现出广阔应用前景。然而，金属负极表面易形成尖锐枝晶、发生不良副反应及生成不稳定固态电解质界面（SEI），这些问题显著劣化电池性能。近年来，隔膜改性作为一种简便高效的策略，被广泛用于缓解上述负极问题，成为研究热点。隔膜是电池的核心组件，其核心功能包括：阻隔正负极直接接触以避免短路、为离子迁移提供通道、存储电解液。商用隔膜多由聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）或玻璃纤维（GF）等材料制成，虽能满足现有二次电池体系的基本需求，但存在孔隙分布不均、机械强度不足、热传导失控及界面化学性能不佳等缺陷，严重制约电池的性能提升与安全保障。随着市场对高能量密度电池的需求攀升，隔膜的设计要求与策略愈发复杂且严苛。基于此，本文系统综述了多功能隔膜的基本设计准则，深入解析了多种优化策略的作用机制，并对未来隔膜设计方向进行了展望，旨在为解决金属负极挑战、推动二次金属电池发展提供理论参考与创新思路。

图1. 高能二次金属电池研究背景及隔膜设计策略

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综述内容

近日，来自西北工业大学的王建淦教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Separator engineering for high-energy rechargeable metal batteries: fundamentals, design strategies and perspectives”的综述文章。系统总结了高能二次金属电池隔膜的优化路径，提出孔结构调控、界面功能化及热力学性能增强三大设计策略，揭示了各策略的作用机理，并对高效实用化隔膜的未来设计进行了展望。

图2. 高能二次金属电池隔膜设计综述

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本文要点

要点一：孔调节

商用隔膜虽孔隙丰富，但孔径分布不均易导致离子传输紊乱，引发负极附近严重的浓差极化，最终诱导枝晶生长。通过调控孔径与分布以实现离子通量均匀化及选择性筛分，是稳定金属负极的高效手段之一。目前，孔结构调控主要包括大孔优化、介孔设计、晶体孔构建及分级孔与响应孔集成四大方向：

1）大孔孔径再分配：在商用隔膜表面修饰无机纳米颗粒（如 ZrO₂、石墨烯、BaTiO₃、氧化石墨烯、SiO₂纳米片等），可有效降低孔隙诱导的离子传输不均所致浓差极化，显著提升金属负极沉积均匀性。

2）介孔结构设计：通过在隔膜表面直接制备蜂窝状 / 介孔材料或采用刻蚀技术，可精准调控介孔尺寸，优化离子传输路径。

3）晶体孔构建：利用共价有机框架（COFs）、金属有机框架（MOFs）及氢键有机框架（HOFs）等材料的有序晶体孔隙结构，可调控离子去溶剂化行为与传输效率。

4）分级孔与响应孔集成：分级孔通过超分子工程整合隔膜内部多尺度孔道，可避免局部浓差极化、阻碍枝晶刺穿并引导离子定向迁移；响应孔则能基于外部环境（如 pH、温度）或刺激实现智能调控（如孔道的“开/闭”），例如热响应型孔依赖热敏感高分子微球，可在预设温度下熔融并阻断离子通道，防止电池热失控。

图3. 大孔和介孔的调节设计策略及机理

图4. 晶体孔、分级孔和响应孔的设计策略及机理

要点二：界面功能化

电极-电解液界面的离子/电子传输行为直接影响二次金属电池的库伦效率、倍率性能与循环寿命，其中离子去溶剂化、传输、扩散及形核过程对负极沉积形貌起决定性作用。研究表明，界面电场与电流密度的分布可调控离子浓度与枝晶 “尖端效应”，因此隔膜表面功能化是优化界面行为的关键策略，具体包括以下方向：1）多功能官能团接枝：在隔膜表面接枝 - COOH、-OH、-SO₃H、-C=N 等官能团，可提升隔膜亲金属性（如亲锌性），实现离子分布与形核均匀化；接枝 C-F、P-F、N-F 等共价键则能促进负极表面形成致密稳定的 SEI 膜，抑制枝晶生长。2）亲金属材料修饰：金属颗粒（如 Mg、Ag、Nb、Au 等）可作为电沉积的非均相成核位点，引导形核分布；Zn、Sb、Sn、Al、Ag 等金属可通过合金化作用与负极形成稳定界面相，构建无枝晶结构。碳材料（如石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米片）凭借高导电性与大比表面积，可均匀界面电场、减轻浓差极化与枝晶 “尖端效应”。氮化物（金属氮化物、无机氮化物）因强亲金属性，可调节离子通量并改善传输动力学。高分子材料（如 PVDF、PDA、PAN、PANI 等）与金属亲和力优异，既能作为物理屏障缓解枝晶与副反应的影响，又能增强隔膜耐久性。

图5. 隔膜表面接枝官能团调控界面离子行为的设计策略及机理

图6.接枝官能团稳定负极SEI的设计策略及机理

图7. 隔膜表面修饰金属颗粒材料的设计策略及机理

图8.碳材料调控界面电场和电流密度的设计策略及机理

图9.氮化物材料调控离子传输的策略及机理

图10.高分子材料调控界面离子传输的设计策略及机理

要点三：热力学性能调控

当负极生长尖锐枝晶或电池处于极端温度环境（过热 / 冷冻）时，商用PP、GF隔膜的机械与热学性能不足易引发安全隐患。因此，引入高机械强度与优异热稳定性的材料是提升隔膜热力学性能的核心策略：

1）刚性/弹性夹层设计：在商用隔膜表面涂覆SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、Mg(OH)₂等陶瓷颗粒，可显著提升隔膜对枝晶刺穿的抵抗能力。

2）热调节隔膜设计：将SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂及氮化硼（BN）等无机材料引入隔膜，可缓解热收缩、热集中及热机械损伤；其中，具有圆形结构的导热材料更利于散热，进一步提升隔膜热稳定性。

图11.隔膜刚性/弹性夹层设计策略及机理

图12.热调节隔膜设计策略及机理

要点四：未来展望

高能二次金属电池作为下一代储能技术的核心候选体系，其隔膜设计与优化为解决金属负极挑战提供了创新思路。通过孔结构调控、界面功能化及热力学性能增强，可实现离子传输规范、SEI 稳定及热机械性能提升，进而延长电池寿命。然而，隔膜设计仍面临以下关键问题：

1）研发效率提升：当前隔膜设计依赖大量人工实验，时间与试错成本较高，需借助先进计算工具（如高通量筛选、分子模拟）筛选功能材料并揭示调控机理。

2）SEI机制解析：金属负极表面SEI的结构与成分对界面动力学及沉积行为影响显著，解码SEI的形成机制与演化规律对功能化隔膜设计至关重要。

3）双功能隔膜开发：针对二次金属电池正极溶解与中间产物穿梭问题，需设计Janus型双功能隔膜，实现正负极界面的协同优化。

4）产业化衔接：目前功能化隔膜仍停留在实验室阶段，需通过实际工况下的电化学测试、材料成本降低及先进制造工艺开发，缩小与商用隔膜的差距。

图13. 二次金属电池隔膜设计策略的挑战

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文章链接

Separator engineering for high-energy rechargeable metal batteries: fundamentals, design strategies and perspectives

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104421

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通讯作者简介

王建淦教授简介：主持国家自然科学基金、省科技计划/创新人才推进计划/自然科学基金等10余项课题；参与国家自然科学基金面上/重点项目、陕西省科技创新团队等多个项目。迄今在Progress in Materials Science, Energy & Environmental Science, Angew Chem, Materials Today, ACS Nano, Nano Energy, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Nano Letters等多个国际高水平刊物上发表论文140余篇，引用次数超过11000，ESI高被引论文22篇，热点论文3篇，H因子59；编著/编写教材3部，受邀撰写英文专著1章节。

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第一作者介绍

罗志轩：西北工业大学材料学院研究生，研究方向为二次金属电池隔膜改性。以第一/共一作者在Energy Storage Materials，Small，Chemical Engineering Journal等国际高水平期刊上发表SCI论文多篇，包括高被引论文1篇，主持西北工业大学研究生培育基金1项。