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中科院物理所李泓ESM：固态电池多孔膜研究进展

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-24 10:18

正文

【文章信息】

固态电池多孔膜研究进展

第一作者：伊小萍

通讯作者：李泓

单位：中国科学院物理研究所

【研究背景】

全固态锂电池凭借其突破性理论能量密度与本质安全特性，被视为下一代储能技术的制高点。当前业界普遍推崇无隔膜设计路线，然而具有卓越机械强度、经济性及量产优势的多孔隔膜为固态电解质产业化提供独特破局思路。

近日，中国科学院物理研究所李泓团队通过系统优化结构参数与各向异性特性，成功开发出一种革命性多功能聚乙烯隔膜（S7540）——该架构在保持超强机械完整性的同时，实现超高孔隙率（75%）与宽域孔径分布的完美平衡，可无缝兼容现有液态/固态电池产线。搭载该隔膜的Li/Li CoO ₂ 体系展现出惊艳的工业化潜力：在10C超高倍率及6.2 mAh/cm ² 面容量下具有超高循环稳定性，显著优于传统商业隔膜。特别值得关注的是，S7540将聚合物-氧化物复合固态电解质的机械性能提升近50倍（抗拉强度达42.11 MPa），Li/Li对称电池实现6000小时超长稳定循环。基于此构建的全固态Li/LiFePO ₄ 电池在0.5C倍率下循环500和700周后容量保持率分别高达90.7%与81.3%。更突破行业痛点的是，基于S7540的无溶剂固体电解质体系展现出颠覆性热稳定性：120℃高温暴露6小时后质量损失<0.3%，250℃以下几乎无分解反应。此项研究不仅揭示了隔膜微结构调控与电池性能的深层构效关系，更为全体系电池的产业化提供了兼具成本效益与规模制造可行性的技术范式。

该研究成果以“Strategically tailored polyethylene separator parameters enable cost-effective, facile, and scalable development of ultra-stable liquid and all-solid-state lithium batteries”为题发表在“Energy Storage Materials”期刊上，第一作者是中国科学院物理研究所博士后伊小萍。

【工作要点】

该研究通过系统优化聚乙烯隔膜的结构参数和各向异性特性，创造性地实现"性能双引擎"：既显著提升液态锂电池快充能力，又同步强化全固态锂金属电池安全性能，实现了聚合物-氧化物固态电解质高效卷对卷生产方案。理论建模与实验验证揭示了隔膜厚度-孔隙率-机械强度-离子传输效率之间的多维构效关系。S7540集宽域孔径梯度分布、超强机械强度、卓越电解液浸润性、高效离子传输通道及低成本五大核心优势于一体，展现出跨电池体系的卓越性能。

在液态体系验证中，Li/S7540/LLCO电池在10C超高倍率下可实现171.7 mAh/g的比容量，循环500周平均库伦效率仍保持99.8%。在超高面容量体系下（~6.2 mAh/cm ² ）循环100周容量保持率达到90.0%。此外，全电池测试也显示出类似的优异性能，SiC/S7540/HLCO电池在500次循环后平均库仑效率达到99.5%。全固态体系表现更为惊艳：S7540@PEO-LATP复合电解质膜实现42.11 MPa超高机械强度，相比纯PEO-LATP电解质提高了近50倍，Li/S7540@PEO-LATP/Li对称电池在0.1 mA/cm ² 电流密度下稳定循环超6000小时。这种增强的机械性能满足工业化卷对卷生产要求，不仅能够有效抑制锂枝晶的穿透，还能在电池循环过程中保持稳定的电极-电解质界面，从而延长电池的循环寿命。全固态Li/S7540@PEO-LATP/LFP电池在0.5C倍率下循环500和700周后容量保持率分别高达90.7%与81.3%。软包电池在0.2C下输出165.4 mAh/g比容量，库伦效率达98.3%，展现出卓越工程化潜力。

该技术一举突破三大行业痛点：采用零残留溶剂/添加剂设计，250℃下几乎无质量损失，120℃@6h质量损失<0.3%，实现本质安全；无缝兼容现有液态/固态产线，降本增效显著；构建跨材料体系普适平台，特别适用于有机-无机复合固态电解质与原位聚合固态电解质体系的卷对卷连续生产。作为"结构可调-性能可控-产线兼容"的通用型隔膜平台，S7540不仅搭建起从实验室到量产的产业桥梁，其创新的三维设计范式更推动高安全、高能量密度、长寿命全固态电池产业化进程。这项突破性技术预计可大幅度缩短全固态电池量产周期，为下一代电化学储能系统的快速开发提供关键材料解决方案。

图1 (a) 多功能隔膜在液态和全固态锂金属电池制造中的应用示意图；(b) 2×1 cm多孔隔膜在单轴拉伸应变（10%伸长率）下的理论模型；(c) 不同多孔隔膜在弹性变形过程中的力-应变曲线；(d) 在10%应变下多孔隔膜的实验与模拟拉伸值对比；(e) 隔膜的孔隙率、厚度与力之间的相关性分析；(f) 在高电流密度（i = 400 mA cm ^-2 ）下锂对称电极间锂离子浓度梯度的演变；(g) Sand时间对隔膜厚度、迂曲度和孔隙率的参数敏感性分析。

图2 (a) 多孔隔膜表面扫描电镜图；(b) 机器方向（MD）应力-应变曲线（20 mm × 10 mm）；(c) 压汞法分析不同隔膜的孔径分布；(d) LATP粉末的粒径分布；(e) 不锈钢对称电池的电化学阻抗谱；(f) 不同隔膜的Li/Cu电池在2 mA cm ^-2 、2 mAh cm ^-2 条件下的可逆容量对比；(g) 电解液浸润不同隔膜的超声成像图。

图3 (a) 传统隔膜与高孔隙率隔膜中离子传输机制的比较示意图；(b) Li/LLCO电池（0.1C-10C）的倍率性能对比（1C = 270 mA g ^-1 ）；(c) SiC/LLCO电池（0.1C-5C）的倍率性能对比；(d) Li/HLCO电池（0.1C-3C）的倍率性能对比；(e) SiC/HLCO电池（0.1C-2C）的倍率性能对比；(f) 基于S7540的Li/LLCO和SiC/LLCO电池在不同倍率下的长循环稳定性和库仑效率；(g) Li/HLCO电池在0.5C下的循环性能对比。

图4 (a) 基于双面致密填充和热辊压技术制备S7540支撑的复合导离子膜（S7540@CSEs）的示意图；(b) S7540中PEO-LATP填充过程的超声强度成像图（15×10 mm）。

图5 (a) 隔膜支撑的复合离子导电膜中离子传导机制的对比示意图；(b) 使用PEO-LATP和S7540@PEO-LATP的Li/Li对称电池在0.1至0.5 mA cm ^-2 电流密度下的时间-电压曲线；(c) 使用PEO-LATP和S7540@PEO-LATP的Li/Li对称电池在0.1 mA cm ^-2 （面容量：0.1 mAh cm ^-2 ）的长循环性能对比（60℃）；(d) 在Li/Li对称电池中循环后的PEO-LATP和S7540@PEO-LATP的表面扫描电镜图；(e) PEO-LATP和S7540@PEO-LATP电解质的应力-应变曲线；(f) S7540@PEO-LATP与已有报道的复合固态电解质的机械性能对比。

图6 (a) 使用PEO-LATP和S7540@PEO-LATP的全固态Li/LFP电池在0.2C下的循环性能（1C = 170 mA g ^-1 ）；(b) 使用PEO-LATP和S7540@PEO-LATP的全固态Li/LFP电池在0.5C下的循环性能对比；(c) 使用PEO-LATP和S7540@PEO-LATP的全固态Li/LFP电池的倍率性能对比；(d) 使用PEO-LATP和S7540@PEO-LATP的全固态Li/LFP软包电池在0.2C（60℃）下的充放电曲线对比；(e) 使用PEO-LATP和S7540@PEO-LATP的全固态Li/LFP软包电池在0.2C（60℃）下的循环性能对比；(f) 热重分析（44-550℃，10 K min ^-1 升温速率）；(g) 在120℃下保持6小时的质量保持率；(h) PEO-LATP、S7540和S7540@PEO-LATP从室温到140℃的热收缩测试。

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Strategically tailored polyethylene separator parameters enable cost-effective, facile, and scalable development of ultra-stable liquid and all-solid-state lithium batteries

中科院物理所李泓ESM：固态电池多孔膜研究进展

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