锂离子电池（LIBs）凭借高能量密度和长循环寿命，成为便携电子设备与电动汽车的核心储能装置。但随着能量密度持续提升，热失控、界面稳定性及锂枝晶生长等安全问题日益突出。隔膜作为LIBs的关键组件之一，既要防止正负极接触，又要为Li⁺提供高效传输通道，其性能直接影响电池的安全性、倍率性能和循环稳定性。然而，商用聚烯烃隔膜孔隙率偏低、热稳定性不高，高倍率应用场合要求高，高温下易收缩引发短路甚至热失控。因此，开发兼具高离子传输效率与热安全特性的新型隔膜材料体系，已成为LIBs领域的重要研究方向之一。
近日，同济大学浦鸿汀教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Rational Design of Sandwiched Nanofiber Separators with Controllable Surface Porosity and Thermal Shutdown Functions”。研究者提出一种三明治结构复合隔膜设计策略：以耐热性优异的PI纳米纤维毡为支撑骨架，以多层共挤出制备的PP纳米纤维为功能层，构建PPNFs-PI复合隔膜，为开发下一代锂离子电池隔膜提供一种可供参考的材料设计思路。
图1.PPNFs-PI隔膜的制备过程及其改性机理示意图
热尺寸稳定性是决定锂电池隔膜安全性能的关键参数。如图2所示，PPNFs-PI复合隔膜在180 °C下仍保持完整形貌，这得益于聚酰亚胺的刚性共轭结构，而Celgard®2400在120 °C即发生显著收缩。此外，该复合隔膜还具备热关断功能。SEM图像显示，150 °C时PP纤维开始软化黏结；170 °C时PP熔融并渗入PI层，形成离子阻隔网络；200 °C时PP完全填充PI孔隙，实现闭孔。该机制利用了PP在170–175 °C的熔融特性，可在热失控起始阶段及时触发保护。
图2（a）PPNFs-PI、PPNFs与Celgard®2400的热稳定性对比；（b）PPNFs-PI、PPNFs与Celgard®2400的热收缩性能对比；（c-d）150 °C；（e-f）170 °C；（g-h）200 °C不同温度热处理后的表面FESEM图像
为探究隔膜微观结构对锂沉积行为的影响，如图3所示，PPNFs-PI电池展现出较低的极化过电位，并在1000 h循环中保持平稳；而Celgard®2400的过电位在600 h后急剧上升。这表明PPNFs-PI的多级孔道改善了离子传输动力学并缓解了浓度极化。循环100 h后的锂负极形貌表明，Celgard®2400体系锂表面生成大量枝晶与死锂，SEI膜破裂；而PPNFs-PI体系锂表面平整致密，形成了连续无缺陷的SEI膜，证实了其优异的界面相容性。
图 3（a）锂对称电池的沉积/剥离循环性能；（b-c）使用Celgard®2400隔膜的锂负极在0.5 mA cm-2下循环100小时后的FESEM图像；（d-e）使用PPNFs-PI隔膜的锂负极在相同条件下的FESEM图像
图4通过示意图直观对比了两类隔膜调控下锂沉积行为的差异，进一步揭示了复合隔膜PPNFs-PI性能提升的微观作用机制。如图5所示，采用PPNFs-PI隔膜的NCM811||石墨电池在1C倍率下的长循环性能测试结果表明，PPNFs-PI基电池在200次循环后容量保持率优于商用Celgard®2400，该性能优势源于PPNFs-PI隔膜优化的多孔结构与优异电解液润湿性，二者协同提升了Li+在电极-隔膜-电极间的传输效率，同时均匀离子通量诱导形成的致密且稳定的SEI膜，不仅抑制了锂枝晶的生长，还减少了因SEI反复破裂引发的电解液持续分解，从而延缓了活性锂的不可逆消耗。
图4 Celgard®2400与PPNFs-PI隔膜中Li+沉积行为的示意图
图5 NCM811||石墨全电池的电化学性能：（a）首次充放电曲线；（b）倍率性能；（c）PPNFs-PI循环前后的EIS对比（d）循环稳定性；（e-g）第1、100及200次循环的放电曲线图
总的来说，该工作确立了多层共挤技术作为制备电池隔膜功能层的新型平台，为传统依赖溶剂的静电纺丝工艺提供了无溶剂、连续化、低成本的替代方案。所设计的隔膜协同融合了两种材料的优点，综合性能如下：孔隙率66.4%，机械强度46.36 MPa，180 °C下无热收缩，电解液吸收率358%。同时，PPNFs-PI展现出1.18 mS·cm-1的离子电导率和5.0 V的电化学稳定窗口。在极端温度下，PP功能层通过熔融闭孔实现主动热关断，显著提升电池安全性。这些结果验证了基于共挤技术的工艺潜力，但也揭示了其固有的性能权衡关系（如功能层厚度与机械强度之间），并为未来发展指明了清晰路径。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c22690
作者简介：浦鸿汀，同济大学高分子材料系教授，博士生导师。主要研究方向为高分子纳米结构与纳米复合材料、高分子能源材料、高分子功能膜、高分子改性和加工新方法等领域。在国内最早采用多层共挤出方法制备聚烯烃微纳米纤维，并用于电池隔膜，也是国内最早开展聚合物单链纳米粒子的研究者之一。已获授权发明专利80项，编写《Polymers For PEM Fuel Cells》(Wiley)、《Polybenzimidazole-Based Materials: From Synthesis to Application》(Elsevier)等专著和教材4本，发表期刊论文277篇，会议论文46篇，SCI收录190篇(citation>4700次，H因子41)。曾任Science等50余本国际期刊和《中国科学》等30余本国内期刊的审稿人。
