随着电动汽车和智能电网的快速发展，传统锂离子电池的能量密度已接近理论极限。锂硫电池（Li-S）因高理论能量密度（2600 Whkg-1）和低成本成为下一代储能系统候选者，但仍面临两大关键问题：(1)多硫化物穿梭效应：可溶性多硫化锂（LiPSs）在正负极间扩散，导致活性物质损失和容量衰减。(2)锂枝晶生长：不均匀锂沉积引发短路风险，降低库仑效率和循环寿命。对此，研究者采取了各种策略，包括硫阴极的设计、锂金属的保护、电解质优化和隔膜改性。其中，功能化隔膜在同时增强离子选择性和界面稳定性方面具有巨大的优势。然而，随机堆叠的功能隔膜无法兼顾高选择性与高渗透性，阻碍了锂离子和多硫阴离子的有效分离。
受启发于生物膜的高选择性离子通道，例如钠离子通道含有带负电荷的蛋白质和纳米级孔隙(≈4.6 Å)，有助于精确的离子选择性(图1)。这一原理表明，在Li-S电池隔膜中模仿这种结构特征可以实现锂离子快速传输的同时有效阻断多硫化物阴离子，从而提高循环稳定性和倍率性能。尽管具有这种潜力，但兼具高选择性和高渗透性的定向离子通道仿生隔膜的实现仍然很少见。
在这项工作中，研究团队利用壳聚糖(CS)与纤维素纤维(CF)和共价有机骨架(COF)的相容性，促进了具有优选(100)取向的ICOFs的自组装，开发了一种具有高离子选择性和渗透性的仿生超薄(8 μm)纤维素复合隔膜。该CF@ICOF隔膜表现出高锂离子通量(2.186 mS cm−1)和出色的Li+/S62−选择性(275.97)，有效抑制LiPSs穿梭和锂枝晶形成。因此，采用CF@ICOF隔膜的Li-S电池可提供超稳定的循环性能，在0.5C下循环800次，每个循环的容量衰减仅为0.047%。即使使用高硫阴极(11.12 mg cm−2)和稀薄电解质(3.5 μL mg−1)，Li/CF@ICOF/S电池在200次循环后仍保持92.73% 的容量。此外，集成CF@ICOF隔膜的柔性软包电池可为LED稳定供电，并且展示了高能量密度(440.98 Wh kg−1)和出色的循环稳定性。
2025年9月26日，该工作以“Biomimetic Ultrathin Cellulose Composite Separators for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries”为题发表于Advanced Functional Materials, 2025, e19474中。论文第一作者为华南理工大学廖婷婷和科罗拉多大学黄绍峰，通讯作者为华南理工大学王蕾副教授和科罗拉多大学张伟教授。
图1：用于Li-S电池精确离子筛分的仿生CF@ICOF隔膜示意结构。(a)钠离子通道中的选择性离子孔道是由4.6Å的螺旋蛋白构成，这启发我们设计出具有亚纳米级通道和负电性基团的CF@ICOF膜。(b)PP隔膜与CF@ICOF隔膜在筛选Li⁺与LiPSs、抑制锂枝晶方面的效果对比图。
图2：采用定向自组装技术构建仿生双层CF@ICOF。(a)所选ICOF的化学结构。(b)ICOF的表面静电势分布。(c)ICOF的孔径分布曲线。(d)ICOF的TEM晶格分布。(e)基于多重作用的 ICOF 在 CS 层中的方向排列示意图。（f）不同晶面（100、110、002、101和111）与CS的表面能。(g)ICOF 粉末的 SAXS 2D 映射。(h)ICOF层的SAXS 2D映射。(i)ICOF、CS 和 CS@ICOF 的 FT-IR 光谱。(j)ICOF层的SEM图像。(k)CF 层的 SEM 图像。(l)CF@ICOF的横截面SEM图像和元素分析（蓝色为O，红色为C，黄色为N）。
图3：Li-S电池中CF@ICOF复合隔膜的筛分效率评估。（a）Li-S电池中CF@ICOF的机理示意图。(b)ICOF与Li、Li2S、Li2S2、Li2S4、Li2S6和Li2S8的相互作用结合能。(c)基于MD研究ICOF对Li+和S62−的筛分效果（黄色为 S62−，粉红色为Li+）。(d)PP、CF和CF@ICOF的LiPSs渗透可视化实验的数码照片。(e)PP、CF 和 CF@ICOF 的离子选择性（Li+/S62−）曲线。
图4：CF@ICOF的高离子电导率、热稳定性和生物降解。(a)CF@ICOF的Li+转移数曲线。(b)PP、CF 和 CF@ICOF 的离子电导率曲线。(c）PP、CF 和 CF@ICOF 的曲折度。(d)PP和CF@ICOF两侧的接触角测试。(e)我们构建的CF@ICOF与先前报道的功能隔膜在厚度和Li+转移数方面的比较。(f)CF@ICOF的大规模制备数码照片。(g) PP、CF 和 CF@ICOF 在堆肥降解过程的数码照片。
图5：CF@ICOF隔膜有效抑制锂枝晶生长。(a)通过COMSOL模拟研究PP、CF和CF@ICOF在锂枝晶生长中的Li+浓度和电场分布。(b)PP、CF和CF@ICOF制备的Li||Cu电池的首次循环充放电曲线。（c) PP、CF和CF@ICOF制备的Li||Cu电池在1 mAcm⁻²电流密度下的循环性能。（d) PP、CF和CF@ICOF制备的Li||Li电池在2 mAcm⁻²和2 mAh cm⁻²条件下的循环性能。（e) PP、CF和CF@ICOF植被的 Li||Li电池在550至560小时内的电压-时间曲线。（f) PP、CF和CF@ICOF制备的Li||Li电池在50次循环后的EIS曲线。(g)(h)采用PP、CF和CF@ICOF的Li||Li电池经200次循环后的 Li金属SEI层的Li1s和C1s XPS半定量分析。
图6：容量出色，循环稳定性优异的高性能Li-S电池。（a）Li-S电池中的CF@ICOF隔膜组装顺序。(b)含 PP、CF 和 CF@ICOF 的Li-S电池的 CV 曲线。(c)含 PP、CF 和 CF@ICOF 的Li-S电池的 EIS 曲线。(d)含PP、CF和CF@ICOF的Li-S电池在2.8 mg cm-2硫负载下的倍率性能。(e)含PP、CF和CF@ICOF的Li-S电池在2.6 mg cm-2硫负载下的循环稳定性性能。(f)含硫量为11.12 mg cm-2时CF@ICOF Li-S电池的循环稳定性性能。(g)采用CF@ICOF组装的 Li-S 软包电池的循环性能及其在供电 LED 中的实际应用演示。(h)(i)使用CF@ICOF的Li-S电池与现有报告的功能隔膜电池在低硫和高硫负载方面的比较。
原文链接:
https://doi.org/10.1002/adfm.202519474
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