基于沸石的先進電池隔膜—結構性能應用的協(xié)同創(chuàng)新

題目：Zeolite-Based Advanced Battery Separators: Synergistic Innovations in Structure Performance Application

作者：Teng Du, Shaofang Zheng, Chaoyang Wu, Xue Dong, Qian Zhang, Haitao Ren, Lei Lin, Wenqi Song, Shaoqing Zhang, Changgong Meng, Zongcheng Miao

DOI:10.1002/cnl2.70068

鏈接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70068

第一作者：杜滕，鄭少芳

通訊作者：苗宗成

單位：西京學院

研究背景

在“雙碳”目標引領下，全球能源轉型進入攻堅階段，可再生能源的規(guī)?；瘧贸蔀閷崿F(xiàn)碳中和的核心路徑。然而，風能、太陽能等可再生能源固有的間歇性、波動性問題，對高效、安全、長壽命的儲能技術提出了迫切需求—電池儲能作為銜接可再生能源生產(chǎn)與消費的關鍵環(huán)節(jié)，其性能升級直接決定了碳中和能源體系的構建效率。

電池隔膜作為儲能電池的核心組件，承擔著隔離正負極、保障離子傳輸?shù)碾p重使命，其性能優(yōu)劣直接影響電池的安全性、能量密度與循環(huán)壽命，進而制約新能源儲能的規(guī)模化推廣。傳統(tǒng)聚烯烴類隔膜已難以適配碳中和背景下高安全、高能量密度電池的發(fā)展需求：熱穩(wěn)定性不足易引發(fā)熱失控，增加儲能系統(tǒng)安全風險；孔徑無序、潤濕性差導致離子傳輸效率低，電池能量轉換效率受限；高孔隙率與機械強度的固有矛盾，使得電池循環(huán)壽命縮短，間接增加了電池生產(chǎn)、回收環(huán)節(jié)的碳排放。這些性能瓶頸不僅阻礙了儲能電池的技術迭代，更制約了可再生能源的消納效率，成為碳中和能源體系構建中的關鍵障礙。

為破解這一困境，兼具高性能與環(huán)境適配性的新型隔膜材料成為研究焦點。沸石材料憑借其0.3-2 nm的均一微孔結構、可調孔徑、高比表面積（500-1000 m2/g）及優(yōu)異的熱化學穩(wěn)定性（部分可耐受600℃高溫與強酸環(huán)境），展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。與傳統(tǒng)改性材料相比，沸石可通過分子級離子篩分、界面催化、副反應抑制等多重機制，同步提升電池安全性與能量密度，且制備過程相對環(huán)保、材料穩(wěn)定性強，能減少電池全生命周期的碳排放。其在電池隔膜中的應用，不僅為突破傳統(tǒng)隔膜性能極限提供了全新方案，更能推動儲能電池向高效、長壽命、低損耗方向發(fā)展，為可再生能源的規(guī)?；{提供核心支撐，助力碳中和目標的實現(xiàn)。

成果介紹

西京學院杜滕副教授、西北工業(yè)大學苗宗成教授團隊聯(lián)合多所高校，對沸石基先進電池隔膜在新能源儲能領域的研究進展與應用前景進行了系統(tǒng)性綜述。沸石因具有獨特的微孔結構、可調孔徑、高比表面積及優(yōu)異的熱化學穩(wěn)定性，在突破傳統(tǒng)電池隔膜性能瓶頸中展現(xiàn)出巨大潛力。該綜述系統(tǒng)梳理了沸石在電池隔膜中的核心功能機制，包括離子選擇性傳輸、中間產(chǎn)物穿梭抑制、電極界面優(yōu)化、界面催化激活及電解液穩(wěn)定性調控。分類總結了不同類型沸石（A、X、Y、ZSM-5 等）的結構特性與應用場景，深入闡釋了沸石通過微孔篩分、電荷調控、動態(tài)界面化學作用等實現(xiàn)電池性能提升的設計原則。最后分析了沸石基隔膜在規(guī)模化制備、長期穩(wěn)定性、多體系適配性等方面面臨的技術挑戰(zhàn)，提出了孔道工程、表面功能化、復合協(xié)同設計等未來研究方向，并展望了機器學習輔助材料設計、原位表征技術與增材制造技術的融合應用前景，為開發(fā)高安全、高能量密度、長循環(huán)壽命的先進電池系統(tǒng)提供了重要的理論指導與技術參考，助力碳中和背景下新能源儲能技術的革新與發(fā)展。該成果以“Zeolite‐Based Advanced Battery Separators: Synergistic Innovations in Structure, Performance, and Application”為題發(fā)表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮點

1、系統(tǒng)總結了不同類型沸石的晶體結構、理化特性及核心功能機制，涵蓋離子選擇性傳輸、中間產(chǎn)物穿梭抑制、電極界面優(yōu)化、界面催化激活、電解液穩(wěn)定性調控五大關鍵維度。

2、深入分析了沸石在多電池體系中的應用進展，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋅離子電池、液流電池、空氣電池等，闡釋了沸石通過微孔篩分、電荷調控、動態(tài)界面化學作用、復合協(xié)同效應等實現(xiàn)電池安全性、能量密度、循環(huán)壽命同步提升的內在機制。

3、提出未來研究與發(fā)展方向：包括孔道工程優(yōu)化、表面功能化改性、復合協(xié)同設計，以及機器學習輔助材料設計、原位表征技術與增材制造技術的融合應用。

本文要點

要點一

沸石基礎特性解析

圖1：沸石在電池隔膜的功能、作用和應用示意圖。

文中利用表格系統(tǒng)梳理了A、X/Y、ZSM-5主流沸石的IZA結構代碼、骨架組成、孔徑尺寸、孔道排列及應用領域，揭示了沸石核心理化特性，一是孔徑均一且可調（0.3-2nm），可精準匹配目標離子尺寸；二是比表面積高（500-1000m2/g），提供豐富吸附與反應位點；三是熱化學穩(wěn)定性優(yōu)異，部分沸石可耐受高溫與強酸環(huán)境，遠超傳統(tǒng)聚合物與MOFs材料。不同類型沸石的孔道結構差異（如LTA型三維互聯(lián)八元環(huán)孔道、MFI型二維交叉十元環(huán)孔道），賦予其離子篩分、吸附等功能的差異化適配特性，為后續(xù)功能機制與應用研究提供基礎支撐。圖1展示了沸石在電池隔膜領域的功能、作用及應用。

要點二

沸石基隔膜核心功能機制與作用原理

圖2：4A沸石/PVDF-HFP隔膜物理阻隔TEMPO延長循環(huán)壽命，3?沸石減少水系鋅電池副產(chǎn)物并抑制枝晶產(chǎn)生。

圖3：MFI 型沸石隔膜在鋰離子電池與釩液流電池中的結構設計與性能。

圖4：ZSM-5/PI復合隔膜的“海綿狀”通道提升電導率與孔隙率，SSZ-13/ZnS隔膜的微孔抑制多硫化物穿梭。

圖5：LiX/Celgard隔膜雙機制抑制多硫化物穿梭，4? 沸石膜提升鋅-碘電池性能，功能化沸石膜保障釩液流電池高選擇性。

基于沸石的結構特性，原文圖2-5通過SEM、TOF-SIMS、Raman光譜及COMSOL模擬等多維度表征，系統(tǒng)闡釋了五大核心功能機制。離子選擇性傳輸通過尺寸篩分（如4A沸石孔徑4?，允許Li?通過而阻擋TEMPO分子）、表面化學調控（羥基增強電解液潤濕性）與離子遷移數(shù)優(yōu)化（Z/PI-10復合隔膜Li?遷移數(shù)達0.58，顯著高于純PI隔膜的0.39）實現(xiàn)目標離子高效篩選；中間產(chǎn)物穿梭抑制采用“物理屏障+化學吸附”雙策略，LiX沸石隔膜實現(xiàn)48小時多硫化物零滲透，SSZ-13/ZnS 復合隔膜使鋰硫電池500次循環(huán)容量衰減率僅 0.052%；電極界面優(yōu)化通過沸石剛性框架物理阻擋、離子通量均化與電解液潤濕性改善，使鋅電池腐蝕電流密度從19.95mA/cm2降至8.91mA/cm2；界面催化激活借助表面Lewis酸/堿位點降低反應活化能，如Y型沸石將Li?S沉積過電勢從145mV降至68mV；電解液穩(wěn)定性調控通過吸附水分、HF等雜質（4A沸石將電解液含水量從316ppm降至51ppm）、約束溶劑分子運動與優(yōu)化電場分布，有效抑制副反應發(fā)生，全方位突破傳統(tǒng)聚烯烴隔膜性能瓶頸。

要點三

制備技術路徑與性能優(yōu)化策略

圖6：片狀silicalite涂層、菱形MFI沸石納米片及PVDF/13X復合膜的制備及電池性能提升。

圖7：鋰沸石涂層與MS@PVDF-HFP@PAN復合隔膜的作用機制與性能。

圖8：NH?修飾沸石微管編織隔膜，Z/PAN膜與PVDF/ZSM-5膜的制備與性能優(yōu)化。

圖6-8詳細闡述了二維沸石納米片定向組裝、聚合物基質復合、表面功能化改性及機械壓制與原位生長等四大核心制備路徑。通過孔道工程構建“微孔-介孔-大孔”多級結構、表面改性（硅烷化、離子交換）改善沸石與聚合物基質的界面相容性、復合協(xié)同設計平衡材料柔性與功能特性，實現(xiàn)沸石基隔膜綜合性能的顯著躍升，展現(xiàn)出遠超傳統(tǒng)隔膜的綜合性能優(yōu)勢。

要點四

多電池體系應用進展與實踐效果

圖9：沸石基材料在鈉離子電池、水系鋅離子電池、鋅-碘電池隔膜中的應用設計、作用機制及性能驗證。

圖9展示了沸石材料在不同電池體系（鈉離子電池、鋅離子電池、鋅-碘電池等）隔膜中的應用及性能優(yōu)化機制。沸石通過分子篩分效應（如NaA 沸石精準篩選脫水合鈉離子）、微環(huán)境調控（如3?沸石限制水分子活動、抑制鋅陽極腐蝕與枝晶生長）、離子傳輸優(yōu)化（如ZSM-5沸石構建定向通道提升鋅離子遷移數(shù)）等作用，解決了電池中的離子穿梭、電極腐蝕、容量衰減等關鍵問題。同時，圖中呈現(xiàn)了沸石基復合隔膜的制備工藝（如涂層、機械壓制）、微觀結構特征及電化學性能數(shù)據(jù)（如循環(huán)穩(wěn)定性、庫侖效率），直觀體現(xiàn)了沸石與聚合物、玻璃纖維等基體復合后，在提升電池安全性、長循環(huán)壽命和高能量密度方面的顯著效果。

圖10：沸石基材料在液流電池及鋰-氧電池體系中的應用設計、作用機制及性能驗證。

圖10總結了沸石材料在液流電池（釩液流電池、鋅-碘液流電池）和鋰-氧電池隔膜中的應用進展及核心作用機制。在液流電池領域，通過界面聚合、機械壓制等工藝將ZSM-35、T型、MFI型等沸石構建成復合隔膜（如ZCM復合膜、Zeolite-T膜），利用沸石均一微孔（0.36-0.56 nm）的尺寸篩分效應，實現(xiàn)質子（或鋅離子）與高價釩離子（如VO2?）、碘離子（I??）的高效分離，顯著降低離子滲透率（如ZSM-35復合膜釩離子擴散系數(shù)較Nafion 115降低10倍），同時維持低界面電阻與高能量效率（如200 mA/cm2下能量效率超81%）；在鋰-氧電池中，4?沸石通過物理孔徑阻隔（小于TEMPO分子尺寸）抑制中間體（如TEMPO）的穿梭效應，減少鋰陽極腐蝕，延長電池循環(huán)壽命（從20次提升至170 次），并降低電解液中游離水含量以抑制副產(chǎn)物生成。此外，圖中還呈現(xiàn)了沸石隔膜的制備流程、微觀結構（如沸石片層排列、聚酰胺粘結層）及電化學性能數(shù)據(jù)（如循環(huán)穩(wěn)定性、離子選擇性），直觀體現(xiàn)了沸石在解決液流電池離子交叉污染、鋰-氧電中間體穿梭問題上的關鍵價值。

要點五

現(xiàn)存技術挑戰(zhàn)與未來研究方向展望

針對當前沸石基隔膜規(guī)?；苽涔に噺碗s且能耗高、沸石與聚合物基質相容性差導致團聚、純沸石柔性不足、多體系適配性不足等核心挑戰(zhàn)，本文提出了明確的未來研究方向。未來將聚焦低成本無模板晶種誘導合成與卷對卷涂層工藝開發(fā)，通過孔道工程、表面改性與復合協(xié)同設計優(yōu)化材料性能；針對不同電池體系的性能需求，開展沸石結構定制化設計；融合機器學習輔助材料設計、原位表征技術與增材制造技術，深入解析界面動態(tài)機制并實現(xiàn)隔膜結構精準調控，推動沸石基隔膜從實驗室研究走向工業(yè)化應用，為高安全、高能量密度、長循環(huán)壽命電池系統(tǒng)的開發(fā)提供理論支撐與技術參考。

本文小結

該綜述聚焦沸石基先進電池隔膜在儲能領域的研究進展，系統(tǒng)闡述了沸石憑借獨特微孔結構、可調孔徑及優(yōu)異穩(wěn)定性等特性，在離子選擇性傳輸、中間產(chǎn)物穿梭抑制、電極界面優(yōu)化、界面催化作用和電解液穩(wěn)定性提升等方面的核心作用與機制。同時梳理了其在鋰離子電池、水系鋅電池、液流電池等多類電池系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀，并分析了當前面臨的制備成本高、規(guī)模化難度大、材料相容性不足等挑戰(zhàn)，對未來通過材料創(chuàng)新、技術突破及跨學科融合推動其工業(yè)應用的發(fā)展方向進行了展望。

作者介紹

第一作者

杜 滕

西京學院材料與能源科學技術研究院副教授，碩士生導師，博士畢業(yè)于大連理工大學，師從國家級教學名師孟長功教授，致力于沸石基功能材料的開發(fā)與應用的研究。近年來在Environ. Res.、J. Alloy. Compd.、Colloid.＆Surface A等國際期刊發(fā)表學術論文10余篇；申請國家發(fā)明專利6項；主持安徽省合成化學及應用重點實驗室開放課題1項，西京學院高層次人才基金項目1項，在研橫向課題4項。作為指導教師獲得中國國際大學生創(chuàng)新大賽（2025）陜西賽區(qū)省級復賽獎（銅獎），指導學生獲得西京學院2025屆校級優(yōu)秀畢業(yè)論文，入選西京學院2025屆“數(shù)智賦能·優(yōu)勢成長”畢業(yè)設計。

第一作者

鄭少芳

陜西省地質調查院中級工程師，西安文理學院實訓基地教師，師從樊國棟教授，主要從事光降解催化領域及地質類分析檢測領域的研究。2018年-2023年在核工業(yè)二〇三研究所擔任檢測員及項目負責人，主要研究空氣、水污染成分的分析及治理；2023年至今在陜西省地質調查院實驗中心主要研究礦產(chǎn)、土壤中的戰(zhàn)略性金屬的能力建設，同時參與光催化劑材料的研究。主持陜西省自然資源廳公益性項目并參與多項省部級科研項目，獲得省部級獎項2項，在國內外權威期刊發(fā)表論文數(shù)篇。

通訊作者

苗宗成

西北工業(yè)大學光電與智能研究院教授，博士生導師，主要研究方向為陽離子表面活性劑和液晶化學。陜西省科技創(chuàng)新領軍人才，陜西省杰出青年基金獲得者，陜西省秦創(chuàng)原“科學家+工程師”隊伍首席科學家，陜西省海洋光學重點實驗室副主任，西安市先進光電子材料與器件重點實驗室主任，Wiley合作期刊Battery Energy總編輯、副主編，Current Applied Materials雜志“Liquid Crystal”專欄主編，《液晶與顯示》雜志編委。主持國家自然科學基金面上項目3項，主持陜西省科技廳縱向科技項目4項，在國內外專業(yè)期刊上發(fā)表學術論文100余篇，其中第一作者SCI論文70余篇，最高影響因子25。獲得18項已授權國家發(fā)明專利。獲得陜西省科學技術獎二等獎3次、三等獎2次，陜西省化學優(yōu)秀青年獎，山西省科學技術進步獎二等獎（第3完成人）等科研獎勵2項、中國輕工業(yè)聯(lián)合會科學技術獎三等獎、浙江省自然科學技術獎三等獎。

團隊優(yōu)質文獻推薦

能源及環(huán)境領域

(1) Hard Carbon Anodes: Fundamental Understanding and Commercial Perspectives for Na-ion batteries beyond Li-ion and K-ion counterparts. Adv. Energy Mater. 2021, 11: 2002704.

(2) Atomic-Local Environments of Single-Atom Catalysts: Synthesis, Electronic Structure, and Activity. Adv. Energy Mater. 2019, 43(9): 1900722.

(3) Phosphorus and phosphide nanomaterials for sodium-ion batteries. Nano Res. 2017, 10(12): 4055-4081.

(4) Nanocomposite Materials for the Sodium–Ion Battery: A Review. Small. 2018, 14(5): 1702514.

(5) Structural Design of Anode Materials for Sodium-Ion Batteries. J. Mater. Chem. A. 2018, 6(15): 6183-6205.

(6) Novel Non-Carbon Sulfur Hosts Based on Strong Chemisorption for Lithium–Sulfur Batteries. Small. 2018, 1801987.

(7) The role and progress of zeolites in photocatalytic materials, Environ. Res., 2025, 268: 120771.

(8) Recent progress in zeolite-based photocatalysts: Strategies for improving photocatalytic performance, J. Alloy. Compd. 2025, 1035: 181573.

(9) Removal of nitrogen oxides under visible light irradiation by copper phthalocyanine/MOR zeolite composite, Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp.? 2022, 641: 128587.

期刊介紹

發(fā) 展 歷 程

Carbon Neutralization是溫州大學與Wiley共同出版的國際性跨學科開放獲取期刊，立志成為綜合性旗艦期刊。期刊于2022年創(chuàng)刊，名譽主編由澳大利亞新南威爾士大學Rose Amal院士擔任，主編由溫州大學校長趙敏教授和溫州大學碳中和技術創(chuàng)新研究院院長侴術雷教授擔任，編委會由來自11個國家和地區(qū)的28名國際知名專家學者組成，其中編委會19位編委入選2025年度全球“高被引科學家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ數(shù)據(jù)庫收錄，入選為中國科技期刊卓越行動計劃二期高起點新刊，并于2025年獲得首個影響因子12。

Carbon Neutralization重點關注碳利用、碳減排、清潔能源相關的基礎研究及實際應用，旨在邀請各個領域的專家學者發(fā)表高質量、前瞻性的重要著作，為促進各領域科學家之間的合作提供一個獨特的平臺。

一審 |

杜 滕

二審 |

謝棉棉

三審 |

肖 遙

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wiley.atyponrex.com/journal/CNL2

期刊編輯部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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