为锂离子打造“快速通道”：西浦学者提出分子筛隔膜新策略以抑制锂枝晶生长
2026年04月12日
如何让下一代储能电池更安全、更长寿？西交利物浦大学科研团队将目光投向了化工领域的分子筛材料。他们通过精细调控材料的孔隙与酸性特征，为锂离子在电池内部开辟了一条有序传输的“专用通道”。这一机制如同为离子流动设置了智能闸门，在显著抑制危险锂枝晶生成的同时，也让实验室环境下的锂金属电池表现出优异的长循环寿命。
破解锂金属电池的安全与寿命难题
在追求更高能量密度的储能技术道路上，金属锂被科学界广泛视为最具潜力的下一代电池负极材料之一。然而，锂金属电池在充放电过程中，锂离子容易在负极表面堆积成树枝状的金属结构，即“锂枝晶”。这些不断生长的枝晶不仅会消耗电解液、缩短电池寿命，更有可能刺穿电池隔膜，引发内部短路甚至起火爆炸。长期以来，如何既保持离子的高效传输，又能筑起一道坚固的屏障阻止枝晶生长，是困扰科研人员的难题。
分子筛化身“智能闸门”
针对这一挑战，西浦杨莉教授团队联合英国利物浦大学研究人员，在发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）的研究中提出了一种创新思路：利用化工领域常用的分子筛材料来改良电池隔膜。
杨莉教授形象地将这一机制比喻为“安检关卡”：“分子筛就像是通道中的智能闸门。我们通过调控它的微观结构，使锂离子能够更有序、更快速地通过，同时减少其他化学成分对传输过程的干扰。”
图片：分子筛功能膜的示意图，通过其孔径和酸度控制溶剂分子、锂离子和阴离子的传输
“孔隙+酸性”：1+1>2的协同效应
该研究的核心突破在于发现了分子筛的孔隙结构与酸性位点之间的协同作用。研究团队构建了一系列具有不同特性的分子筛复合隔膜，并揭示了它们对锂离子行为的调节逻辑：
孔隙筛选（筛子作用）：细小的孔隙结构能够像筛子一样过滤掉体积较大的分子，仅允许锂离子通过，从而限制了电池内部不必要的分子运动。
酸性吸引（磁铁作用）：材料表面的酸性位点如同磁铁，可以吸引并束缚电解液中的阴离子，从而释放出更多自由移动的锂离子。
“只有两者协同作用，系统才能既实现精准筛分，又提高离子释放效率，产生‘1+1>2’的效果，”杨莉教授解释道，“这不仅让传输更顺畅，还能在电极表面诱导形成一层稳定的保护层，从源头上抑制枝晶的产生。”
实验室表现：更稳、更长久
实验数据有力证明了这一策略的有效性。在快充快放及较为苛刻的测试条件下，使用该新型隔膜的电池在经历2900次充放电循环后，仍能保持约95.7%的初始容量。相比之下，使用传统隔膜的电池在循环不到1000次时便出现了严重的短路故障。
根据实验室数据估算，若应用于日常消费场景（约每天充电一次），该电池表现出的稳定性有望支持其运行近八年。此外，微观观测显示，采用新策略后的锂负极表面依然平整致密，几乎观察不到明显的枝晶生长。
迈向产业化的挑战
尽管实验室数据令人振奋，但从基础研究走向大规模应用仍有路要走。杨莉教授指出，该技术在电动汽车、储能电站及航空航天领域的应用前景广阔，但未来还需解决规模化生产、成本控制问题等问题，并进一步验证其与现有电池制造工艺的兼容性。
目前，研究团队已计划探索更多具有类似协同效应的隔膜材料，力求为设计更安全、更耐用的下一代电池提供更多创新路径。
该研究成果已发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials），题为Confined Ion Regulation via Synergy of Porosity and Acidity in Molecular Sieves for Lithium-Metal Batteries。论文的共同第一作者为西浦先进材料研究中心与理学院的博士生张景超及联合指导博士后李剑波。理学院杨莉教授与智能机器人学院刘晨光博士为通讯作者，并得到了西交利物浦大学先进材料研究中心资助。
（翻译：王璐谣 编辑：寇博）
2026年04月12日