高介电常数纤维隔膜的电子位移极化增强界面稳定性

为解决碱金属电池金属负极界面不稳定及枝晶生长问题，研究人员开发高介电常数磷酸化纤维素（PC）纤维隔膜。发现其通过电子位移极化优化 Li?溶剂化结构，诱导形成富 LiF 的稳定 SEI。电池表现出高离子电导率和循环稳定性，为长寿命电池设计提供新策略。

　　

碱金属电池凭借高理论比容量和低还原电位，被视为极具潜力的下一代储能体系。然而，金属负极表面不稳定的固体电解质界面（SEI）和枝晶的剧烈生长，严重阻碍了其实际应用。隔膜作为与负极和电解质直接接触的关键组件，在离子传输和界面稳定中起着双重作用，但传统研究往往忽视其在电池内部强电场下的电学特性。当电池放电时，内部电场强度超过 1×10? V/m，会显著改变分子极化率和偶极矩，进而影响界面相互作用，导致传统理论模型的不准确。因此，探索隔膜在强电场下的响应行为，开发能优化界面稳定性的新型隔膜材料，成为碱金属电池领域亟待解决的关键问题。

为应对上述挑战，东华大学的研究人员开展了高介电常数纤维隔膜的研究。他们设计并制备了以磷酸化纤维素（PC）为主的高介电常数隔膜（PCS），发现其在电池内部电场作用下可通过强烈的电子位移极化增强电荷转移动力学，优化溶剂化结构，抑制无定形有机低聚物的形成，并诱导富 LiF 的稳定 SEI 生成。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为碱金属电池的界面稳定提供了新的解决思路。

研究中采用的主要关键技术方法包括：密度泛函理论（DFT）计算分析分子电子结构和介电常数机制；分子动力学（MD）模拟评估溶剂化结构和 Li?传输行为；电化学测试（如循环伏安法、交流阻抗谱）表征电池性能；X 射线光电子能谱（XPS）、冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析 SEI 的化学组成和结构。

设计与表征高介电常数纤维隔膜

通过将电池内部电场与隔膜的介电常数特性结合，设计出高介电常数隔膜。电场作用下，隔膜分子链中的电子云偏移增加整体偶极矩，高介电畴影响电解质相中的离子扩散效率和溶剂化结构。根据高斯定律，高介电常数隔膜可调节电场分布，抑制金属负极的尖端效应。采用湿法制备工艺，将磷酸基团引入纤维素，通过简单的浸渍和固化过程实现磷酸化，该工艺环保且成本低，可实现公斤级制备。与传统隔膜相比，PCS 具有最高的介电常数和更低的成本。有限元分析表明，高介电常数可有效缓解局部电场集中，抑制枝晶生长，促进 Li?均匀沉积。DFT 计算显示，磷酸化使纤维素的能隙降低，极化率和介电常数增加，增强了与 Li?的相互作用。MD 模拟证实，PCS 优化了 Li?的溶剂化结构，降低了脱溶剂能垒，促进 Li?快速转移。

碱金属负极稳定性与 SEI 化学

Li||Cu 和 Li||Li 对称电池的电化学性能测试表明，PCS 显著提高了库仑效率（CE）和循环稳定性。PCS 的临界电流密度（CCD）高达 7.4 mA/cm2，远高于 CS 的 1.8 mA/cm2，表明其优异的电荷转移动力学。CLSM 和 SEM 图像显示，PCS 诱导的 Li 沉积更均匀、致密，粗糙度显著降低。DFT 计算和 XPS 分析表明，PCS 促进 LiPF?分解生成 LiF，减少有机低聚物的形成。Cryo-TEM 和 TOF-SIMS 揭示，PCS 诱导的 SEI 富 LiF 且结构致密，具有低阻抗和高稳定性，而低介电常数隔膜的 SEI 主要为无定形有机相。

电池电化学性能

原位 DRT 分析和电化学测试显示，PCS 降低了界面阻抗（RSEI）和电荷转移阻抗（Rct），提高了 Li?迁移数（0.68）和离子电导率（0.76 mS/cm）。Li||LFP 电池在 0.5 C 下循环 800 次后容量保持率达 93.1%，在高活性物质负载和贫电解液条件下仍表现出稳定的循环性能。Na||NVP 电池的研究表明，PCS 在钠金属电池中同样具有优异的性能，证明其普适性。

研究结论表明，高介电常数隔膜通过电场驱动的电子位移极化，优化了 Li?的溶剂化结构和 SEI 组成，显著提升了碱金属电池的循环稳定性和安全性。该策略不仅为隔膜设计提供了新的理论依据，还通过经济可行的生物质原料和湿法制备工艺，为大规模生产高介电常数隔膜奠定了基础，推动了碱金属电池向实用化方向发展。其核心意义在于揭示了介电常数在电池界面调控中的关键作用，为长寿命、高能量密度储能体系的开发开辟了新路径。