大连工业大学孙润仓教授团队高雪洁副教授CEJ：功能化隔膜实现液体和固态锂金属电池双重应用：实现从-20oC到60oC的稳定循环

第一作者：成晨

通讯作者：高雪洁

单位：大连工业大学

锂金属电池（LMBs）因其极高的理论能量密度被视为下一代储能系统的理想选择，但锂金属负极的不均匀沉积及枝晶生长问题严重限制了其实际应用，尤其在固态和液态电池体系中均存在显著挑战。尽管功能性隔膜材料的开发已被证明能有效调控锂离子通量并抑制枝晶形成，但现有研究多聚焦于单一体系（液态或固态），鲜有兼顾两种体系的普适性解决方案。这种局限性导致电池设计难以在宽温度范围或不同工作模式下实现性能优化，阻碍了高能量密度LMBs的实用化进程。开发一种具有高普适性的多功能隔膜，对于推动液态与固态LMBs的协同发展具有迫切需求，为加速新型复合隔膜设计提供了关键研究方向。

基于此，来自大连工业大学轻工与化学工程学院的孙润仓教授团队高雪洁副教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Functionalizing Separator for Dual Application in Liquid and Solid-State Lithium Metal Batteries: Achieving Stable Cycling From − 20 ^oC to 60 ^oC”的观点文章。将Al₂O₃（氧化铝）于BC（细菌纤维素）相结合制备了Al₂O₃@BC隔膜，原位生成Li-Al-O中间层，提高电池的界面稳定性，实现了固态和液态电池的双重应用。

图1.（a）隔膜的XRD图谱；（b）隔膜的FT-IR光谱；（c）隔膜的BET表征；（d-i）隔膜的SEM图像；（j-m）固态电解质的SEM图像以及对应的视觉图片；（n）固态电解质的阻燃实验；（o）固态电解质的红外热成像图。

图1 为氧化铝修饰细菌纤维素隔膜（Al₂O₃@BC）的材料表征。首先，实验通过分冷冻干燥的方法制备了Al₂O₃@BC隔膜。并且，通过XRD、FT-IR、SEM等一系列表征，验证了Al₂O₃和BC的成功结合。接着为了进一步验证所制备隔膜的高普适性，采用溶剂浇铸方将Al₂O₃@BC隔膜与PEO固态电解质相结合制备了PEO|Al₂O₃@BC固态电解质，从图1可以发现所制备的固态电解质具有良好的柔韧性和阻燃性能。

图2.（a）隔膜的循环前电化学阻抗谱图；（b）隔膜的离子电导率；（c）隔膜的塔菲尔曲线；（d）隔膜的组装的对称电池在0.1 mA·cm^-2和0.1 mAh·cm^-2电流密度下的循环性能图；（e）隔膜组装的对称电池倍率性能图；（f）固态电解质的DRT分析；（g）固态电解质的组装的对称电池在室温下0.1 mA·cm^-2和0.1 mAh·cm^-2电流密度下的循环性能图；（h）固态电解质的组装的对称电池在室温下0.1 mA·cm^-2和0.1 mAh·cm^-2电流密度下的充放电曲线图

图2 展示了所制备隔膜的固态电解质的电化学性能。从图中可以发现在电池循环过程中Al₂O₃会与锂金属发生反应，在锂金属表面原位生成一层Li-Al-O保护层，提高了电池循环的稳定性，有利于提高电池的电化学性能。

图3.（a）锂沉积示意图；锂金属表面锂沉积的扫描电镜图：沉积容量为（b,e）0.2 mAh cm^-2；（c,f）0.5 mAh cm^-2；（d,e）1 mAh cm^-2

图3 展示了使用不同隔膜的锂沉积示意图，Al₂O₃@BC在循环过程中，Al₂O₃与锂金属发生反应，形成Li-Al-O稳定的保护层，促进了锂的均匀沉积。相反，未改性的BC隔膜显示出随机分布的锂成核位点，导致不均匀的锂沉积和锂枝晶的形成。

图4.使用Al₂O₃@BC和BC隔膜组装全电池的电化学性能（a，b）原位DRT分析；（c）LFP电池的循环伏安曲线；（d）LFP电池在0.2 C电流密度下循环性能图；（e）LFP电池在2 C电流密度下循环性能图；（f）LFP全电池从0.1到5C的倍率性能图；（g）LFP全电池倍率性能图对应的首圈容量发挥柱状图；（h）NCM523电池在0.2 C电流密度下循环性能图

图4中展示了Al₂O₃@BC在液态电池中的电化学性能，图中的原位DRT图展示了Al₂O₃@BC隔膜在锂金属电池的表面原位生成的Li-Al-O中间层有效地抑制了界面副反应，减小了副产物的累积，并且Al₂O₃@BC还表现出更快的氧化还原动力学。Al₂O₃@BC具有优异的倍率性能，在NCM523电池中也得到了应用，进一步验证了Al₂O₃@BC隔膜的高普适性。

图5. 使用PEO|Al₂O₃@BC和PEO|BC固态电解质全电池的电化学性能（a-b）（d-e）25 – 65 ^oC和-20 – 0 ^oC温度下固态电解质的离子电导率;（c，f）不同温度下的离子电导率汇总；（g）固态电解质60 ^oC下以2 C电流密度的循环性能图；（h）固态电解质在室温下以0.1 C电流密度的循环性能图；（i）固态电解质-20 ^oC下以0.05 C电流密度的循环性能图

图5中展示了PEO|Al₂O₃@BC固态电解质在固态电池中的电化学性能，图中展示了PEO|Al₂O₃@BC固态电解质在-20 ^oC– 65 ^oC宽温域下拥有较高的离子电导率，并且组装的LFP电池均表现出优异的电化学性能。

Functionalizing separator for dual application in liquid and solid-state lithium metal batteries: Achieving stable cycling from − 20 ^oC to 60 ^oC

高雪洁，副教授，博士生导师。第九届中国科协青年人才托举工程获得者（资助），兴辽英才-青年拔尖人才，大连市海外高层次引进人才，大连市青年科技之星。2021年9月于加拿大西安大略大学（University of Western Ontario）工程学院获得博士学位，师承孙学良院士&T-K Sham院士。并于2021年11月加入大连工业大学孙润仓教授课题组。主要研究领域为固态锂电池，3D打印技术，以及生物质材料在电池领域的应用。作为项目负责人主持国家自然科学基金青年项目，辽宁省项目，服务企业以及大连市科技局等重要项目。截止目前，已在国际高水平期刊发表文章40余篇。其中以第一作者和通讯作者发表具有高影响力的国际期刊近30篇，包括中科院一区Top 近24篇，影响因子 IF >20的7篇，影响因子IF>10的18篇，单篇最高影响因子29.4，ESI高被引论文3篇。任Escience、Renewables、Frontiers in Energy Research、Batteries等期刊青年编委及多个期刊审稿人。

成晨，大连工业大学2022级生物质能源与材料专业硕士研究生，主要研究方向为纤维素基材料在在高比能液态/固态锂金属电池的应用研究，以第一作者在Chemical Engineering Journal和Molecules期刊发表2篇论文，获研究生三等学业奖学金3次。

孙润仓教授课题组：孙润仓教授，大连工业大学教授。获国家杰出青年基金及“长江学者奖励计划”特聘教授，英国皇家化学会会士（Fellow，2003年），973项目首席科学家（2009年），辽宁省生物质化学与材料重点实验室主任、“兴辽英才计划-杰出人才”、“辽宁省学术头雁”、国家杰出青年基金及“长江学者奖励计划”特聘教授入选者、英国皇家化学会Fellow、973项目首席科学家、第六、第七届国务院学院委员会轻工技术与工程学科评议组成员、第七届教育部科学技术委员会化学化工学部委员及，10种SCI期刊主编、副主编或编委(中科院一区期刊5种)。在Advanced Materials，Applied Catalysis B-Environmental and Energy, Advanced Energy Materials, Carbon Energy, ACS Nano，ACS Catalysis，Materials Today, Advanced Functional Materials 等期刊发表SCI论文1030篇， 其中中科院一区论文550篇，IF大于10的255篇，发表EI收录论文60余篇，论文被正面引用7.3万余次、国际会议特邀、大会及主题报告70余次。

主编Cereal Straw as a Resource for Sustainable Biomaterials and Biofuels: Chemistry: Extractives, Lignins, Hemicelluloses and Cellulose专著1部 (2010, Elsevier)，同时还被国外专家邀请参与编写Hemicelluloses: Chemistry and Technology等英文专著36部和英国科学分离百科全书1部，授权发明专利178件。2014-2024年连续11年入选Elsevier中国高被引学者榜单及2018-2024年连续7年入选科睿唯安全球高被引科学家榜单，入选全球顶尖前10万科学家榜单。培养研究生及博士后100余名，其中全国优秀博士论文获得者3人、提名2人、教育部学术新人奖2人、美国化学会研究生创新奖1人。培养国家杰青2人、“长江学者”3人，国家万人计划（科技创新领军人才）5人、中组部青年拔尖人才8人、“青年长江”及优青5人、中国科协青年人才托举工程5人、教育部新世纪人才9人等。