1 导读

高电压（>4.5 V）与高温（60 °C以上）条件下，锂离子电池的电解液分解、界面不稳定、过渡金属溶解等问题会急剧加剧，是限制电池性能与安全的核心难点。本研究提出一种 PEI/PI（聚醚酰亚胺/聚酰亚胺）功能涂层隔膜（PAP隔膜），利用其强极性基团调控锂离子溶剂化结构，降低脱溶能垒，并促进形成 均匀、无机富集、耐高温的CEI膜。同时，隔膜中的Al₂O₃陶瓷层进一步增强电解液润湿性及机械稳定性。得益于此，LCO正极在4.6 V、60 °C条件下仍表现出优异循环寿命。该工作展示了从隔膜视角调控界面化学的新范式，为高能量密度电池的安全运行提供了有效解决方案。

2 背景介绍

高电压电池（如4.5–4.6 V LCO）具有更高能量密度，但在高温或高压环境中，电解液易发生氧化分解、形成不稳定的CEI，最终触发容量衰减甚至安全风险。传统隔膜多只关注热稳定性提升，而忽视了其对界面化学和锂离子溶剂化结构的深刻影响。本研究提出利用功能化隔膜涂层来调控界面溶剂化与分解路径，使隔膜从“被动阻隔材料”转变为“主动调控界面化学”的关键部件。

3 图文介绍

图1 (a) PAP隔膜的制备流程示意图；(b) PAP隔膜的三层结构示意图；(c) PAP隔膜与CG隔膜的傅里叶红外光谱（FTIR）；(d) PAP隔膜的截面SEM图；(e) PAP隔膜中C₇H₇NO^-、C₇H₆NO^-和C₄H₂NO₂^-碎片的三维TOF-SIMS分布。

图2 (a) PAP隔膜与CG隔膜的电解液接触角与润湿扩散面积对比；(b) PAP与CG隔膜的应力-应变曲线；(c) PAP与CG隔膜在170 °C和190 °C条件下的热收缩情况。

图3 (a) PEI与PP分子链的静电势分布；(b) PAP与CG隔膜表面Li⁺-4EMC的脱溶能；(c) PAP与CG隔膜表面Li⁺扩散系数对比；(d,e) PAP与CG隔膜在4.6 V充电过程中的原位FTIR光谱对比，反映电解液分解与界面转化行为。

图4 (a) 在60 °C下，采用PAP与CG隔膜的LCO||Li半电池循环性能与库仑效率；(b) 在25 °C下PAP与CG隔膜的循环性能对比；(c,d) 两种隔膜在60 °C下的充放电电压曲线演化；(e) PAP与CG隔膜循环后LCO电极的拉曼光谱；(f) 使用PAP隔膜的LCO||石墨软包电池在4.45 V、45 °C下的长期循环性能。

图5 (a–c) 采用PAP隔膜循环后的LCO电极C 1s、F 1s和O 1s XPS谱图；(d–f) 采用CG隔膜循环后LCO的C 1s、F 1s和O 1s XPS谱图；(g,i) PAP与CG隔膜条件下循环后LCO的冷冻TEM图；(h,j) PAP与CG隔膜循环后LCO表面C2H₄O₂^-、LiPO₃^2-和Li₂F₃^-碎片的三维TOF-SIMS分布。

4 总结与展望

本研究开发了具有梯度功能的 PAP 隔膜，其 PEI/PI 外层可通过强极性基团调控Li+的溶剂化结构，降低脱溶能垒并加速界面迁移；同时提升隔膜的润湿性、热稳定性和机械强度。该涂层还能引导电解液受控分解，在LCO 表面形成均匀、富无机且热稳定的 CEI，使电池在 4.6 V、60 °C 下仍保持优异循环稳定性（200次，平均库仑效率99.4%）。

研究表明，通过隔膜涂层调控界面溶剂化是实现高电压高温电池性能提升的有效策略。未来仍需进一步研究 PEI 的长期稳定性，以及涂层在循环中的机械疲劳和潜在脱层问题，并通过引入功能添加剂等方式进一步增强其界面调控能力。

5 通讯作者

郭辰，深圳市星源材质股份有限公司，研究员。

林海，北京大学深圳研究生院新材料学院，测试中心主任，特聘研究员。

杨卢奕，现为北京大学深圳研究生院新材料学院副研究员，主要研究方向专注于研究高比能锂、钠电池材料界面结构演化过程的机理探索与相关的改性策略。

潘锋，北京大学讲席教授，博士生导师，中国化学会会士，国家重点研发计划首席科学家，北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长。聚焦新能源与新材料产业关键问题，基于AI和自主发展的图论结构化学和材料基因组学，建立了新材料创制体系；建设了物质结构表征科学装置与方法及其解析系统；揭示了新能源材料的构效关系，在锂电池正极材料等方面取得突破性进展并实现产业转化。

期刊简介

Energy Materials and Devices是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，清华大学康飞宇教授担任主编。本刊是一本瞄准能源材料前沿领域的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。

期刊于2023年9月创刊，现已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ、Inspec等数据库收录，入选2024中国科技期刊“卓越行动计划”二期高起点新刊项目。

收稿范围包括但不限于：二次电池、太阳能电池、燃料电池、超级电容器、液流电池、安全评估、 电池回收、 碳足迹和碳税负等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。

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