以单质硫为正极、锂为负极的锂硫电池（Li-S）因其较高的理论比容量（1675 mA·h g^-1）和能量密度（2600 Wh kg^-1）而受到广泛关注。然而，Li-S电池电化学反应中间产物多硫化锂（LiPSs）的溶解和迁移造成的“穿梭效应”、电池的自放电和锂负极枝晶的不规则生长，都会加剧Li负极的腐蚀和钝化、活性硫的损失和电池容量的下降。隔膜作为锂硫电池不可缺少的部件之一，是硫正极和锂负极之间物质传输的枢纽，在避免短路的同时起着离子传输的核心作用。功能化隔膜被认为是协同调节硫电化学反应活性和锂负极沉积/剥离电化学行为的一种高效便捷的策略。

静电纺丝制备的聚合物纳米纤维膜具有出色的电解质亲和力、丰富的孔隙率、良好的化学稳定性、结构柔韧性以及锂离子传输性能，被认为是电池隔膜的有前景的候选材料之一。因此，通过静电纺丝结构工程开发空间结构合理有序、具有锂-硫亲和性的新型功能隔膜，能够更好地抑制“穿梭效应”、减少自放电并缓解锂枝晶生长的问题。同时，还能加速硫/多硫化锂的氧化还原动力学，并调节锂沉积/剥离的电化学行为。

近日，陕西理工大学李文虎教授联合西安理工大学杨蓉教授、西安交通大学贾凯助理教授和中科院青能所包西昌教授在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Multifunctional integrated separator based on electrospinning structure engineering for high-stability lithium sulfur batteries”。该工作通过静电纺丝结构工程，创新性地将ZIF-67衍生的金属氧化物修饰氮掺杂碳（NC-Co₃O₄）多面体和氧化石墨烯（GO）引入氨基功能化的聚丙烯腈（PAN）电纺纳米纤维中，设计了一种双层结构的多功能一体化隔膜（APAN/Co-G）。

APAN/Co-G隔膜中APAN以及NC-Co₃O₄对LiPSs的吸附或催化作用有效提升了氧化还原反应动力学；GO中含氧官能团与多硫化物之间的静电相互作用增强了电池的抗自放电能力。同时，APAN能显著提高隔膜对电解液的亲和力，促进锂离子（Li⁺）的均匀沉积/剥离。由于其独特的结构设计，APAN/Co-G隔膜具有78.53%的高孔隙率、359.57%的电解液吸收率、1.73 mS cm^-1的离子电导率和0.72的Li⁺迁移数。基于APAN/Co-G隔膜的锂硫电池表现出了优异的性能：静置24小时自放电仅为2 %，在0.5 C下循环2000次平均每次容量衰减率低至0.016%，在6.37 mg cm^-2高硫负载下实现6.85 mA·h cm^-2的超高面容量，即使在5.0 mA cm^-2（5 mA·h cm^-2）高电流密度下仍可稳定循环100小时。该研究通过结构工程设计的多功能一体化隔膜为解决锂硫电池关键瓶颈提供了全新思路，为下一代高能量密度储能器件的实际应用奠定了重要基础。

图1：APAN/Co-G隔膜的制备与构建示意图以及微观形貌表征。

逐层静电纺丝结合氨基化接枝技术制备双层结构APAN/Co-G隔膜，氨化接枝反应是由于支化聚乙烯酰亚胺（PEI）中的-NH2与聚丙烯腈（PAN）中的-C≡N或甲基丙烯酸酯基团（C(=O)-OCH₃）发生反应而产生的，从而形成N-C=N和C(=O)-NH基团。图1微观形貌表征结果显示：隔膜厚度约155 μm， NC-Co₃O₄多面体与GO负载于纤维上且分布均匀；氨化接枝工艺在保持纤维形貌的同时，显著提升了纤维网络的致密性与均匀性。

图2：APAN/Co-G隔膜的物相及物性表征。

通过XRD/FTIR证实APAN/Co-G隔膜成功负载NC-Co₃O₄与GO并氨化接枝，APAN/Co-G隔膜具有78.53%的高孔隙率、359.57%的电解液吸收率、较好的热稳定性和机械稳定性以及高效的离子传输性能（离子电导率，1.73 mS cm^-1、锂离子迁移数0.72）。

图3：APAN/Co-G隔膜的电化学性能。

APAN/Co-G隔膜用于电池在0.1-1 C倍率下展现1180.94→586.61 mA·h g-1的高比容量（硫利用率达70%），0.5 C下循环2000次容量衰减率仅0.016%，6.37 mg cm^-2高硫负载下实现6.85 mA·h cm^-2面容量，低电解液用量（E/S=4 μL mg-1）仍保持77.68%容量保持率。

图4：氧化还原动力学和自放电性能分析。

APAN/Co-G隔膜通过协同作用提升锂硫电池性能：其中NC-Co₃O₄组分有效吸附多硫化物并催化其转化，大幅提升锂离子扩散系数（8.49×10-8 cm² s-1）、降低氧化还原反应能垒（如S8→Li₂S₄活化能降低52.11 kJ mol^-1）并改善反应可逆性；同时，APAN/Co-G隔膜强效抑制自放电（静置24小时容量损失仅2%，远优于PP隔膜的37%）并维持稳定开路电压；此外，APAN中的含氮基团促进锂负极形成富含高导锂离子相Li3N/Li2NxOy的稳定SEI层，优化离子传输并均匀化锂沉积，而GO的含氧基团选择性促进Li+传输并静电排斥多硫阴离子。吸附、催化、离子传输调控及负极保护机制的协同作用，共同抑制了多硫化物穿梭、加速了反应动力学、降低了自放电并保护了负极，从而实现了电化学性能的整体增强。

图5：基于APAN/Co-G隔膜锂离子电化学行为表征。

APAN/Co-G隔膜显著优化了锂沉积/剥离行为和循环稳定性：Li//Li对称电池测试表明，电池在1 mA cm^-2下稳定循环超600小时（过电位仅15 mV），远优于PP隔膜（30小时短路）；Li//Cu半电池中，APAN/Co-G电池在100次循环中维持99.03%的高库伦效率，且成核过电位更低。SEM分析证实，APAN/Co-G隔膜促使锂离子沉积更均匀致密。这些优势源于隔膜中极性官能团增强的电解液润湿性与锂离子传输动力学，其诱导形成的稳定SEI层可均匀界面电流分布，降低成核势垒，从而有效抑制“死锂”生成并提升循环稳定性。

图6：APAN/Co-G隔膜用于锂硫电池的作用机制示意图。

通过系统研究，APAN/Co-G隔膜用于锂硫电池的多功能作用机制如下：（1）APAN/Co-G隔膜的纤维网络结构、丰富的官能团以及NC-Co₃O₄协同吸附或催化LiPSs能够抑制“穿梭效应”并加速氧化还原反应动力学；（2）GO中含氧电负性基团作为Li+跳跃位点，通过静电相互作用减少带负电物种（S_n^2-）的迁移，从而提高锂硫电池的抗自放电能力；（3）极性氨基基团增强了隔膜与电解质的亲和力并降低了成核过电位，这不仅促进了Li+的均匀沉积，还有助于形成富含Li3N的SEI 层，从而提高循环稳定性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166813

通讯作者简介：

李文虎，陕西理工大学材料科学与工程学院教授，硕士生导师。现任材料科学与工程学院院长，矿渣综合利用环保技术国家地方联合工程实验室副主任，陕西省冶金渣资源化利用工程研究中心常务副主任。主要研究方向为锂离子电池、废旧电池回收利用等，主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省科技统筹创新计划项目、陕西省教育厅科研专项项目和校企联合攻关项目12项，参与完成了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等项目10余项，近年来，在Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal等期刊上发表论文40余篇，授权国家发明专利8件，转让5件，主编国家十二五规划教材1部，获陕西省科技进步三等奖2项、汉中市科学技术奖一等奖3项、陕西高等学校科学技术二等奖3项。

杨蓉，西安理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，中韩联合培养博士后。陕西省科技创新团队负责人，陕西省复合材料及其产品智能制造技术国际联合研究中心副主任、西安理工大学新型化学电源研究所主任。长期从事新型化学电源的开发、锂电池电极材料的设计与合成及电化学腐蚀与防护相关研究。面向高比能、长寿命的锂硫电池及固态新体系电池应用需求，开展电化学转化机制，关键材料研发等相关研究，并拓展其在高性能器件中的实用化应用。相关研究成果在Chemical Engineering Journal、Journal of Energy Chemistry、ACS Applied Materials & Interfaces、Materials Today Physics、Electrochimica Acta、Journal of Colloid and Interface Science、Materials Characterization、Journal of Alloys and Compounds、Journal of Electroanalytical Chemistry、Inorganic Chemistry等国际著名刊物上发表SCI论文70余篇，授权国家发明专利17项。获2015年陕西省科学技术二等奖，2021年中国创新挑战赛（西安）硬科技发展专题赛优胜奖。

贾凯，西安交通大学化学学院助理教授，硕士研究生导师，2023年“博新计划”入选者，西安交通大学青秀优秀人才计划A类。研究方向为退役锂离子电池的绿色回收。以第一作者或共同一作身份在国际知名期刊发表论文数篇，包括Nature Sustainability、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials（3篇）、Journal of the American Chemical Society（2篇），ACS Energy Letters、Nano Letters、Small，授权发明专利1项。

包西昌，中科院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师。近年来致力于光电材料、器件与机理以及纳米功能材料方面的研究。主持参与JW科技委，科技部国际合作、国家自然基金、中科院，山东省重大项目等项目10余项。迄今已在Energy Environment Science、Advance Energy Materials、Nano Energy、Chemistry of Materials、Journal of Materials Chemistry A、Macromolecules、Carbon等期刊上发表文章140余篇，授权中国发明专利5项。教育部科技管理入库专家、国家自然科学基金评审专家、中国化学会会员，以及20多个国际期刊审稿人。