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  堿金屬電池具有高理論比容量和低還原電位，是非常有前途的下一代儲能系統。然而，金屬負極上不穩定的固體電解質界面（SEI）和枝晶的生長對堿金屬電池的實際應用構成了重大挑戰。隔膜直接與負極和電解質等關鍵組件接觸，作為“橋接”和“屏障”發揮著關鍵的作用，并有可能解決堿金屬電池面臨的挑戰。以前的研究主要集中在調節隔膜和電解質成分（堿金屬離子、溶劑分子和陰離子）之間的靜電相互作用、范德華力和偶極-偶極相互作用上。然而，它們的電特性一直被忽視。在堿金屬電池放電過程中，內部電場通常超過1×10⁵ V/m。這樣的電場強度足以影響隔膜-負極界面以及隔膜和電解質之間的相互作用。在強電場下，分子極化率和偶極矩等特性發生了顯著變化，施加電場前后分子間相互作用能的變化明顯。這種忽視導致對隔膜-負極界面以及隔膜和電解質之間相互作用的描述不準確。

  近日，東華大學朱美芳教授/徐桂銀教授團隊提出了一種由磷化纖維素組成的高介電常數纖維隔膜。引入介電常數作為描述符，探討了具有不同介電常數的纖維隔膜在電場下的響應行為，研究了在均勻內電場前提下，高介電常數隔膜對堿金屬電池負極表面的影響。在內部電場下，高介電常數隔膜內的強烈電子位移極化增強了電荷轉移動力學并優化了溶劑化結構，這也誘導形成了富含LiF和低聚物的固體電解質界面。此外，高介電常數隔膜可調節電場密度分布并減輕金屬電極中的尖端效應。高介電常數隔膜的應用，使得堿金屬電池表現出優異的電化學性能和循環穩定性。同時采用濕法成型工藝，并使用生物質材料作為原材料，實現了高介電常數隔膜的大規模生產。

  相關成果以“Electron displacement polarization of high-dielectric constant fiber separators enhances interface stability”為題發表在Nature Communications期刊上。東華大學為第一單位，材料學院博士生張陶為論文第一作者，通訊作者為東華大學材料學院朱美芳教授和徐桂銀教授。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委國際合作基金和上海市啟明星計劃的支持。

  如圖1所示，介電常數高達29.0的磷化纖維隔膜(PCS)可以促進堿金屬負極的電場均勻分布，進而減緩尖端效應。此外，電場作用下高介電常數纖維的帶腦子位移極化增強了電荷轉移動力學并優化了溶劑化結構。在磷化纖維素鏈存在時，[Li(EC)3(DEC)]+從其溶劑化鞘中脫除EC和DEC分子的能壘（5.86 eV）低于純纖維素鏈存在時的能壘（6.86 eV）。施加電場后，PCS鏈存在時的去溶劑化能進一步降至3.12 eV。相比之下，CS鏈存在時的去溶劑化能變化可忽略不計（6.47 eV）。這歸因于電場作用下高介電常數的PCS在電場作用下發生強烈的電子轉移，從而誘導Li⁺ 去溶劑化，這是影響電池性能的關鍵但尚未充分探索的因素。

圖1：高介電常數隔膜的設計

  如圖2所示，在高介電常數纖維隔膜的作用下，半電池展示出高庫倫效率、穩定的沉積/剝離性能及優異的倍率性能，證實了高介電常數PCS賦予堿金屬電池快速反應動力學。DFT模擬表明結果表明纖維素骨架中豐富的磷酸基團顯著促進電荷轉移，加速LiPF₆解離生成LiF，這需要進一步精細探究以驗證高介電常數纖維隔膜對電池界面化學組成的優化機制。

圖2：PCS對金屬負極中Li⁺沉積的影響

  如圖3所示，利用冷凍電鏡（cryo-TEM）在亞埃級分辨率下，分別研究了高介電常數與低介電常數隔膜存在時電化學沉積形成的SEI結構。發現了Li₂O、Li₂CO₃和LiF組分。當存在高介電常數PCS隔膜時，觀察到SEI呈現鑲嵌結構，大量LiF嵌入Li₂CO₃基體中。這種鑲嵌結構能在保持LiF低電子電導率的同時促進鋰離子傳輸。相反，采用低介電常數隔膜時幾乎觀察不到LiF，SEI結構以非晶態為主。冷凍電鏡元素分布圖顯示C、O、F元素的分布特征，證實了SEI界面處LiF的富集現象。上述結果證實高介電常數PCS隔膜能在電場驅動下輔助形成低能壘的堅固SEI，其中鋰離子主要沿晶界擴散，其速率顯著快于傳統晶格擴散。TOF-SIMS和XPS的結果與冷凍透射電鏡結果一致。

圖3：高介電常數隔膜對SEI化學成分的影響

  如圖4所示，采用PCS的Li||LFP電池的DRT圖譜顯示出比CS更低的界面相傳輸阻抗（RSEI）和電荷轉移阻抗（Rct），證實了PCS存在下比CS能實現更快的電荷轉移，并形成更高導電性和更穩定的SEI。高介電常數隔膜的引入降低了堿金屬的脫溶劑化能，從而減小了Rct；同時，富含LiF且低聚物含量少的SEI降低了RSEI。因此，裝有PCS的Li||LFP以及Na||NVP堿金屬電池展示出優異的倍率性能以及循環穩定性。

圖4：裝有PCS的堿金屬電池的電化學性能

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60256-9