当前，提升锂电池安全性与可靠性的研究主要集中于电极材料和电解液体系的优化，而作为关键功能组件之一的隔膜材料却长期未受到足够重视。然而，隔膜在电池体系中发挥着不可替代的作用。作为连接正负极的核心部件，隔膜不仅能够有效阻隔电极直接接触以防止内部短路，还为锂离子在充放电过程中的可逆迁移提供必要通道。隔膜的结构与性能直接影响电池的界面稳定性、内阻特性、容量保持、循环寿命及运行安全性等关键指标。因此，开发兼具高离子传导性与优异安全性能的先进隔膜材料，对于全面提升锂电池的综合性能具有重要意义。

近期，江西理工大学陈军教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Electrospun Phthalocyanine-Based COF Nanofibrous Separators for Dendrite-free Lithium Metal Batteries with Enhanced Ionic Conductivity and Thermal Stability”的研究成果。针对锂枝晶生长难以有效调控这一关键挑战，本研究构建了一种新型纳米纤维化酞菁基共价有机框架（PAN@COF）隔膜。COF中酞菁结构单元所构建的共轭体系形成了了富电子环境，通过电子离域效应降低电荷传输能垒，从而促进 Li⁺ 的高效迁移。同时，静电纺丝工艺显著提升了 COF 颗粒在纤维网络中的分散性，有效抑制了宏观尺度的团聚行为，进而扩大了其与电解液之间的有效界面接触面积。密度泛函理论（DFT）计算表明，该 COF 可与电解液溶剂分子发生协同相互作用，诱导形成去溶剂化的 Li⁺ 结构，实现快速离子传输。原位光学显微镜对电化学循环过程中锂枝晶的沉积行为进行了实时观测，进一步验证了理论计算与动力学分析结果。在上述多重协同作用下，锂枝晶生长得到有效抑制，锂金属负极的界面稳定性显著提升，从而赋予电池体系优异的电化学性能。

正文

图1中SEM图像显示所合成的COF粉末呈现典型的块状形貌，表面较为粗糙且形状不规则，这一特征可归因于强π–π相互作用驱动的紧密层间堆叠行为。当COF含量提高至 50%且纺丝液体积为4mL时，获得了形貌最为优异的纳米纤维隔膜，其表现为连续、无串珠的纤维结构以及COF颗粒的均匀分布。TEM结果表明，COF粉末整体呈无序排列状态，空间取向随机。同时，COF颗粒与PAN纳米纤维之间形成了紧密交织的复合结构，其中COF纳米颗粒不仅分布于PAN纤维之间，还部分嵌入纤维内部。该复合结构使纤维直径由约0.25μm 增加至约0.40μm，表明COF已成功引入并在纳米纤维网络中实现均匀分散。

图1材料的形貌表征

图2展示了复合隔膜的综合性能表征结果。酞菁基COF的引入显著降低了隔膜的玻璃化转变温度（Tg），从而削弱了PAN基体的结晶程度，即提高了非晶区比例并增强了聚合物链段的运动能力，有利于Li⁺在隔膜中的传输。同时，COF的引入还显著改善了PAN@COF隔膜对电解液的润湿性能，并赋予其优异的热稳定性。

图2复合隔膜的特征性能表征

如图3所示该复合隔膜表现出优异的离子电导率和宽电化学窗口。PAN@COF隔膜较低的活化能（Ea）表明其具有更低的锂离子迁移能垒。基于Tafel曲线的等效电路分析进一步揭示，其界面电化学反应动力学更为迅速。此外，该隔膜具有较高的锂离子迁移数，有助于减轻浓度极化、抑制锂枝晶生长，从而提升电池的倍率性能。

图3复合隔膜电化学性能

使用PAN@COF隔膜组装的电池展现出最低的界面阻抗与成核过电位，如图4所示其CV等高曲线中更高的电流响应也明显优于PP和PAN体系，这与DLi⁺分析结果一致。上述性能优势可归因于酞菁基COF的共轭骨架与电解液之间良好的界面相容性，该结构有效促进了Li⁺的嵌入/脱出过程，从而显著提升了锂离子传输动力学。

图4复合隔膜电化学性能

在图5中采用PAN@COF隔膜的Li-Li对称电池在长达3200小时以上的循环中保持高度稳定，电压波动极小。结合原位光学显微镜观察进一步发现，PAN@COF隔膜支持下的锂沉积过程在60分钟内始终呈现平滑均匀的形貌，未出现枝晶生长。这些结果表明，PAN@COF隔膜能够有效抑制锂与电解液溶剂的副反应，促进形成机械强度高、富含LiF的稳定SEI层，从而对抑制锂枝晶起到关键作用。

图5复合隔膜组装的Li||Li对称电池的性能及机理

如图6所示，通过组装LFP||Li扣式电池对复合隔膜与LFP正极之间的稳定性进行了表征，结果表明复合隔膜在锂金属电池中具有的优异循环性能，LFP||Li电池在大电流密度、高负载和高温条件下均能稳定循环，且具有高的库伦效率和放电容量保持率。

图6复合隔膜长循环电化学性能

本工作采用密度泛函理论（DFT）计算了COF与溶剂分子（DEC/DMC）以及溶剂分子与Li⁺之间的结合能（图7）。计算结果表明，COF与DEC/DMC溶剂分子的结合能显著高于Li⁺与DEC/DMC的结合能。这一更高的亲和性表明，COF可与Li⁺竞争性结合溶剂分子，并将其锚定于隔膜骨架内部，从而促进Li⁺的去溶剂化过程，并实现其向负极的高效迁移。进一步地，基于PAN@COF隔膜组装的柔性软包电池展现出优异的机械柔韧性与结构稳定性，验证了其在便携式电子设备中的实际应用潜力。

图7理论计算及LFP||石墨软包电池性能表征

综上所述，本研究采用静电纺丝技术，成功制备了基于酞菁共价有机框架的纳米纤维膜（PAN@COF）。结果表明，在电纺复合膜构型中，酞菁基COF的高度分散特性与电解液的溶剂化渗透效应协同作用，共同构筑了高效的锂离子传输路径。该复合隔膜不仅展现出优异的电解液润湿性、显著提升的离子电导率及更高的锂离子迁移数，同时有效降低界面电阻、缓解浓度极化，进而实现对锂枝晶生长的有效抑制。本工作提出的电纺丝与酞菁基COF功能化相结合的策略，为高性能电池隔膜的设计提供了创新思路，并为下一代高能量密度电池多功能隔膜的研发奠定了理论与技术基础。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-026-00690-6.

江西理工大学硕士研究生孙丹林为本文的第一作者，江西理工大学陈军教授、中国科学院物理研究所特聘研究员李玉涛为本文的通讯作者。

人物简介：

孙丹林：江西理工大学23级硕士研究生。从事锂电池隔膜，负极材料研究。在Adv Fiber Mater、Engineered Science和small Methods期刊以第一作者发表SCI论文3篇。

陈军：江西理工大学教授，博士生导师，江西省主要学科学术带头人领军培养人才。从事锂离子电池材料、酞菁光电功能材料研究。以第一或通讯作者发表SCI论文70余篇，出版专著2部，授权发明专利15项。累计主持包括国家级、省部级、市厅级等项目10余项，相关成果获江西省自然科学奖二等奖，入选2025年全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单。

李玉涛：研究员，中国科学院物理研究所、中国科学院大学客座教授。从事全固态电池关键材料与界面行为的系统研究。已在国际顶级期刊发表SCI论文121篇，总引用次数超过22,000次。自2020年至今，连续入选全球高被引科学家（交叉学科）与斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。