华中科大谢佳教授课题组AFM：功能性隔膜控制热失控中的物质与热量提升锂电池安全性的综述

第一作者：伍远锞，吴强

通讯作者：谢佳*，曾子琪*，孙孟君*

单位：华中科技大学

锂电池热失控（TR）风险对其广泛应用构成了重大挑战，尤其在电动汽车和大规模储能领域的影响更为突出。作为电池正负极之间的关键屏障，隔膜在抑制活性材料焦耳热生成方面发挥着不可替代的作用，是确保电池安全性能的核心组件。随着对TR机制研究的深入，研究发现电池内部多种放热反应均与隔膜特性密切相关。因此，开发具有TR阻断功能的隔膜被视为缓解热失控问题的关键策略。然而，由于这些放热反应与TR之间的作用机制尚未完全阐明，导致功能性隔膜的针对性设计面临诸多挑战。

基于此，来自华中科技大学谢佳教授团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Enhancing Safety in Lithium Batteries: A Review on Functional Separators Controlling Substance and Heat During Thermal Runaway”的综述文章，系统总结了热失控阻断型隔膜的研究进展，着重阐明了功能性热失控阻断隔膜在热失控早期、中期和后期提升电池安全性的作用机制及最新研究成果。同时，基于电极-电解液放热副反应以及活性氧串扰反应等放热过程的相关研究，本文揭示了热失控阻断隔膜的多重防护机制，并针对下一代高安全性锂电池的发展需求，提出了TR阻断隔膜在材料设计、结构优化和功能集成等方面的前瞻性研究方向。本文第一作者为华中科技大学博士研究生伍远锞和吴强。

图1. 锂电池热失控发展时序以及热失控阻断隔膜分类。

在热失控的初始阶段，活性锂与电解液之间的放热副反应是推动热失控发展的主要驱动力，该过程具有持续时间长（数小时至数天）和热量累积缓慢的特征。这一动力学特性为通过干预手段抑制热失控初期的热量积累提供了关键时间窗口。其中，采用经过精密设计的多功能隔膜体系，不仅能够有效保障电池在早期阶段的安全性能，还可实现热源的及时阻断，是目前最具应用前景的防护策略之一。针对这一阶段的放热副反应抑制，功能性隔膜主要可分为以下四类：吸热型隔膜、热响应型隔膜、电势敏感型隔膜以及副反应抑制型隔膜。

图2. 吸热隔膜及效果。

图3. 副反应抑制隔膜及发展见解。

要点二：预防热失控中期内短路和串扰反应

在热失控的中期阶段，热量积累主要源于两个关键机制：其一是隔膜热收缩引发的正负极直接接触所产生的焦耳热，其二是活性氧自由基（O*）介导的电极间串扰反应。这两种机制的协同作用导致电池温度呈指数级攀升，使电池在极短时间内进入热失控状态。针对内短路导致的焦耳热问题，目前主要通过隔膜表面功能化改性技术和本征耐高温隔膜材料的开发来实现有效抑制。而对于活性氧自由基引发的串扰反应，则可在本征耐高温隔膜的基础上，通过精确调控隔膜孔径结构，构建高效的活性氧阻隔屏障。

图4. 聚酰亚胺气凝胶耐高温隔膜。

图5. 活性氧（O*）阻断隔膜。

要点三：防止热失控后期电解液燃烧

在热失控的后期，热量的主要来源包括带电电极与电解液反应生成的可燃性气体以及电解液自身的燃烧。虽然通过在电解液中引入阻燃剂能够提升电池安全性，但为实现电解液的完全不可燃特性往往需要添加大量阻燃剂，这可能导致电解液离子电导率的下降，进而劣化电化学性能。将阻燃功能组分整合至隔膜基体中可有效协调阻燃性能与电化学性能的平衡。

图6. 阻燃隔膜结构及功能示意图。

要点四：总结与展望

基于对热失控机制的理解以及已报道的研究成果，未来的研究方向可能包括以下几个方面：

（1） 在隔膜设计中应综合考虑与隔膜结构（如孔隙率、曲折度和渗透率）和化学特性（如表面功能化和表面自由能）相关的参数。尽管隔膜并非锂离子电池中的活性组分，但其结构和化学特性不仅决定了隔膜在电池组装和运行过程中的变化行为，还直接影响电池的安全性、使用寿命和成本。因此，在开发热失控阻断隔膜时，需要给予更多关注。

（2） 开发可规模化制备高安全性隔膜的创新技术。新型隔膜虽然展现出优异的安全性，但其制造工艺（如静电纺丝技术）与传统聚烯烃隔膜的湿法工艺存在显著差异。因此，必须开发低成本、工艺简单的隔膜制备技术。

（3） 开发具有原位监测功能的智能隔膜，以准确检测和监控锂离子电池的内部健康状态。热失控是一个相当复杂的问题，与电池内部温度和压力密切相关。因此，精确监测隔膜、电解液和电极的参数变化对于提前预防热失控至关重要

Yuanke Wu, Qiang Wu, Mengjun Sun,* Ziqi Zeng,* Shijie Cheng, and Jia Xie*，Enhancing Safety in Lithium Batteries: A Review on Functional Separators Controlling Substance and Heat During Thermal Runaway，Adv. Funct. Mater. 2025, 2425698.

谢佳教授简介：华中科技大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家重点研发和青年973计划项目首席科学家。2002年于北京大学化学与分子工程学院获学士学位；2008年于斯坦福大学化学系获博士学位；2008-2012年在美国陶氏化学任资深研究员；2012 年初回国，担任合肥国轩高科研究院院长，从事动力锂离子电池研发及产业化工作；2015年起担任华中科技大学教授。近年来在电化学储能领域取得了多项原创性成果，在 Nature子刊、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials 等国际顶级期刊发表 SCI 论文 200余篇，获专利授权 100 余项。牵头荣获 2022 年度中国电工技术学会科技进步一等奖（排名第一）和 2023 年度青年科技奖。

曾子琪副研究员简介：华中科技大学副研究员，博士，2013年及2018年分别于武汉大学化学与分子科学学院获理学学士和博士学位。2018年至2021年在华中科技大学谢佳教授课题组从事博士后研究工作，现为华中科技大学电气学院副研究员。长期从事电化学储能技术及功能性电解质材料的研究开发工作，重点关注电解液组成、结构与界面之间的构效关系。在Nature Energy、Advanced Energy Materials、Energy & Environmental Science 等国际顶级期刊发表论文50余篇，授权发明专利13项；获国家自然科学基金面上项目、青年基金资助，作为项目核心人员参与了国家重点研发计划、2项国自然联合基金重点项目以及多项横向项目。

孙孟君博士简介：河南师范大学化学与化工学院讲师，博士毕业于华中科技大学谢佳教授课题组，主要从事固态聚合物电解质、高电压锂金属电池等方面的研究。主持及参与国家自然科学基金、河南省教育厅基金等科研项目以第一作者或通讯作者在Journal of Energy Chemistry, Materials Today Energy, Advanced Functional Materials 等期刊发表论文十余篇。

华中科技大学电能存储与转换研究课题组成立于2015年，依托华中科技大学电气与电子工程学院强电磁技术全国重点实验室，主要致力于新能源电池及电池关键材料的研究与能源存储及转换技术开发。

课题组网站：http://rest.seee.hust.edu.cn

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