大连化物所孙云龙/青岛大学刘凤泉/大连工业大学曲敏杰CEJ：多羰基位点酚酞基聚醚砜隔膜诱导锂均匀沉积，可实现超稳定的锂金属电池

第一作者：梁田

通讯作者：刘凤泉*，孙云龙*，曲敏杰*

单位：大连工业大学，中国科学院大连化学物理研究所，青岛大学

锂金属电池（LMBs）的理论比容量高达3860 mAh g⁻¹，是石墨电极的十倍，凭借其极高的理论比容量，被认为是下一代储能体系的理想选择。然而，由于锂金属阳极的固有反应性和锂枝晶的生长，使LMBs可能存在安全隐患。隔膜作为锂电池最重要的组成之一，在提供离子通道的同时，防止阴极和阳极接触，促进离子在电解液中的迁移和扩散，从而保证电池的安全、稳定和高效。然而，锂枝晶的生长和较差的热稳定性使电池在长期循环中存在安全隐患。传统的商用聚烯烃隔膜由于其非极性结构和缺乏离子传输诱导而难以解决上述问题。大连工业大学、中国科学院大连化学物理研究所高性能高分子材料研究中心、青岛大学团队独辟蹊径，从高耐热的特种工程塑料酚酞基聚醚砜（PES-C）结构出发，设计并制备了具有“多羰基位点”的新型酚酞基聚醚砜隔膜（PESnK-C），通过羰基官能团的引入构建纳米离子通道，提高电导率的同时优化锂离子沉积行为，有效解决的锂电极表面的SEI层不稳定、容量衰减等难题，为高性能锂电池开发提供全新思路。

基于此，来自大连工业大学的曲敏杰教授、中国科学院大连化学物理研究所的孙云龙助理研究员、青岛大学刘凤泉副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Phenolphthalein-based polyether sulfone separator with multi-carbonyl induced uniform lithium deposition for high-performance lithium metal batteries”的研究论文。本文设计了2种具有“多羰基位点”的新型酚酞基聚醚砜隔膜PESnK-C，分别为PES2K-C和PES4K-C，以构建锂离子传输通道，实现更快的锂离子传输和均匀的锂沉积行为。采用简单的非溶剂诱导相分离方法制备的隔膜具有高孔隙率和互穿孔结构，因此PESnK-C隔膜具有优异的电解质存储能力和渗透性。羰基作为锚定位点为隔膜提供了高的电负性，有效地固定了离子通道中的阴离子，加速了锂离子的脱溶。其中，基于PES2K-C隔膜的电池表现出高离子电导率（1.35 mS cm⁻¹）和锂离子转移数（0.79）。同时，这种优化的锂转移行为有效地抑制了锂枝晶的生长，使PESnK-C隔膜电池可以稳定循环超过2000小时，展现出极佳的锂离子的嵌入/脱嵌能力。

图1. (a) PP和 (b) PESnK-C隔膜在LMB中锂离子的迁移和锂沉积的机理示意图

图2. 聚合物的 (a) ATR-FTIR谱图和 (b) ¹H NMR谱图，(c) 和 (d) 质子峰归属

图3. (a) 隔膜的横截面SEM图，(b) N₂吸附-解吸附等温线，(c) 孔径分布，(d) 应力-应变曲线，(e) PES2K-C隔膜展示

图4. 隔膜在干膜和湿膜状态下的阻燃性能

图5. (a) 奈奎斯特图，(b) LSV曲线，(c) 对比图，(d) 引入羰基后PESnK-C隔膜的离子传输示意图

图8. （a~d）在1.0 mA cm ⁻²和1.0 mAh cm ⁻²下，隔膜的锂离子嵌入/脱嵌，(e) PP (f) PES-C (g) PES2K-C (h) PES4K-C隔膜电池循环2000小时后锂电极表面照片和SEM图

图9. (a) PES2K-C (b) PES4K-C (c) PP在0.5 C下的充放电曲线，(d) 0.5 C下长期循环性能 (e) 倍率性能

以PES-C结构出发，在聚合物主链引入苯甲酰基，制备了2种具有不同羰基含量的新型酚酞基聚醚砜树脂材料PESnK-C（PES2K-C和PES4K-C）。

要点二：

羰基作为锚位具有较高的电负性，能有效加速锂离子在隔膜离子通道上的脱溶。增强的界面作用提高了PESnK-C隔膜的电化学性能。其中PES2K-C隔膜同时具有高的离子电导率（1.35 mS cm⁻¹）和锂离子转移数（0.79）。

要点三：

羰基的引入优化了隔膜筛分离子的传输行为，使PESnK-C隔膜的Li-Li电池实现了2000小时稳定的锂离子的嵌入/脱嵌。SEM结果表明其锂电极表面形貌平坦，有效地抑制了锂枝晶的生长。

要点四：

PES2K-C和PES4K-C隔膜具有优异的耐热和阻燃性，进一步保证了电池的安全性。

Tian Liang, Zengxu Qian, Jingjing Liu, Zhipeng Wang, Heran Nie, Fengquan Liu *, Yunlong Sun*, Minjie Qu*, Phenolphthalein-based polyether sulfone separator with multi-carbonyl induced uniform lithium deposition for high-performance lithium metal batteries, Chemical Engineering Journal 2025, 512, 162449