AFM：抑制室温钠硫/硒/碘电池穿梭效应的隔膜改性策略研究

可充电钠硫/硒/碘(Na-S/Se/I₂)电池具有能量密度高、成本低、环境友好等优点，是大规模储能系统的理想选择。然而，Na-S/Se/I₂电池的电化学性能仍然受到一些固有问题的制约，包括多硫化物/多硒化物/多碘化物(PSs/PSes/PIs)的“穿梭效应”、正极转化反应动力学迟缓效应以及负极Na枝晶生长。在这些挑战中，PSs/PSes/PIs不受控制的“穿梭效应”是导致活性正极材料不可逆损失和Na金属负极严重副反应的主要因素，导致电池快速失效。对隔膜改性是抑制PSs/PSes/PIs穿梭的有效策略。在此，本研究全面回顾了高性能Na-S/Se/I₂电池的隔膜改性的最新成果，并就如何进一步解决PSs/PSes/PIs穿梭问题进行了讨论。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速Na-S/Se/I₂电池隔膜改性领域的研究及实际应用。

近日，郑州大学徐晶副教授联合悉尼科技大学汪国秀教授、孙兵研究员，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Review of Separator Modification Strategies: Targeting Undesired Anion Transport in Room Temperature Sodium–Sulfur/Selenium/Iodine Batteries”的文章。文章全面回顾了高性能Na-S/Se/I₂电池隔膜改性的最新成果，同时讨论了每类电池体系的反应机理并总结了基于不同功能隔膜调控PSs/PSes/PIs输运的改性策略，包括应用静电排斥作用、引入导电层、改善筛分效果、增强化学吸附能力、添加高效电催化剂等。

1）通常，高可溶性的PSs/PSes/PIs在有机电解质中带负电，根据两个相同电荷之间的静电斥力原理，引入带负电荷的改性隔膜可以阻止PSs/PSes/PIs从正极侧向Na金属负极侧的迁移。此外，在Na金属负极侧，带负电荷的改性隔膜通过静电相互作用使Na离子通量分布均匀，从而减少Na金属负极枝晶生长。

2）常用的PP隔膜的孔径分布在50~100nm左右，GF隔膜的孔径分布在1.2~2.7µm左右，这使得Na离子和PSs/PSes/PIs都可以进行传输，产生了严重的“穿梭效应”。因此，利用筛分效应在商用隔膜上构建具有纳米孔或亚纳米孔的薄涂层，物理抑制PSs/PSes/PIs穿梭的同时仍允许Na离子迁移。由于直径的差异，较大的PS/PSe/PI阴离子可以通过筛分作用被隔离在隔膜的正极侧。同时，较小的Na离子仍然可以自由地通过隔膜进行传输。

3）与物理限制策略(如静电斥力、筛分效应)相比，化学吸附固定PSs/PSes/PIs主要依赖于改性隔膜上PSs/PSes/PIs与涂层材料之间通过电子转移产生的化学键，表现出较强的吸附能力和高选择性，包括极性-极性相互作用和Lewis酸碱相互作用。

在隔膜的正极侧引入高导电性的涂层或中间层，不仅可以降低正极的电荷转移阻力，还有助于重新激活吸附的PSs/PSes/PIs物质。导电层作为第二集流体，促进S/Se/I活性物质的氧化还原反应，从而提高循环过程中活性正极材料的利用率。此外，中间层可以有效地减轻由可溶性PSs/PSes/PIs中间体引起的负极腐蚀问题，因为在循环过程中，PSs/PSes/PIs倾向于沉积在导电层上，从而阻止PSs/PSes/PIs通过隔膜到达负极。

催化剂一直被认为是解决PSs/PSes/PIs反应动力学缓慢问题的有效方法之一，在很大程度上也有效抑制了“穿梭效应”。因此，通过使用催化剂修饰隔膜以改善隔膜表面附近积累的PSs/PSes/PIs的氧化还原动力学，对于提高Na-S/Se/I₂电池在长期循环过程中对S/Se/I₂的利用率至关重要。

对于Na-S/Se/I₂电池的实际应用，采用单一策略对隔膜进行改性是不够的。为了抑制不可控的PSs/PSes/PIs穿梭，未来需要对多功能隔膜采用不同策略进行优化设计，并产生协同效应。要实现Na-S/Se/I₂电池的高性能，理想的多功能隔膜必须具有良好的结构可调节性、合适的孔隙度、良好的电解质润湿性、高电催化性能和优异的离子选择性。应该注意一些实用的指导方针：1）应合理控制隔膜上功能层的厚度和活性物质载量，以减小内阻，保持能量密度。2）未来的隔膜应该提供更多的功能。3）隔膜的物理性能，如孔隙率、孔隙结构、表面性能等，应给予更多的重视。如何在实际应用中实现高容量、长循环的Na-S/Se/I₂电池仍然是一个具有挑战性的目标。根据目前的研究成果，合理设计低成本、高效率的多功能隔膜是实现高性能Na-S/Se/I₂电池的一条切实可行途径。

“Review of Separator Modification Strategies: Targeting Undesired Anion Transport in Room Temperature Sodium–Sulfur/Selenium/Iodine Batteries”

徐晶 副教授简介：毕业于悉尼科技大学，获博士学位。现任郑州大学电气与信息工程学院副教授，硕士生导师。研究方向包括固态电池、锂硫电池和废电池回收。她发表了20多篇评审期刊论文，包括Science Advance, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.，Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Energy, Energy Storage Mater.等。

孙兵 研究员简介：毕业于澳大利亚悉尼科技大学。目前，他是悉尼科技大学清洁能源技术中心的高级讲师。主要研究方向为锂金属电池和钠金属电池的新一代电池材料和技术的开发。他是Australian Research Council (ARC) Discovery Early Career Researcher Award 和 ARC Future Fellowship的获得者。

汪国秀 教授简介：澳大利亚悉尼科技大学清洁能源技术中心主任、特聘教授。他的研究方向包括锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器、储氢材料、燃料电池、石墨烯和MXene等二维材料以及制氢电催化。发表学术论文650余篇，h-index：144。他的出版物被引用超过67000次。他被Clarivate Analytics认为是材料科学和化学领域被高度引用的研究员。

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