西京学院杜滕副教授&西北工业大学苗宗成教授：基于沸石的先进电池隔膜—结构性能应用的协同创新

基于沸石的先进电池隔膜—结构性能应用的协同创新

题目：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

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70068

第一作者：杜滕，郑少芳

通讯作者：苗宗成

单位：西京学院

研究背景

在“双碳”目标引领下，全球能源转型进入攻坚阶段，可再生能源的规模化应用成为实现碳中和的核心路径。然而，风能、太阳能等可再生能源固有的间歇性、波动性问题，对高效、安全、长寿命的储能技术提出了迫切需求—电池储能作为衔接可再生能源生产与消费的关键环节，其性能升级直接决定了碳中和能源体系的构建效率。

电池隔膜作为储能电池的核心组件，承担着隔离正负极、保障离子传输的双重使命，其性能优劣直接影响电池的安全性、能量密度与循环寿命，进而制约新能源储能的规模化推广。传统聚烯烃类隔膜已难以适配碳中和背景下高安全、高能量密度电池的发展需求：热稳定性不足易引发热失控，增加储能系统安全风险；孔径无序、润湿性差导致离子传输效率低，电池能量转换效率受限；高孔隙率与机械强度的固有矛盾，使得电池循环寿命缩短，间接增加了电池生产、回收环节的碳排放。这些性能瓶颈不仅阻碍了储能电池的技术迭代，更制约了可再生能源的消纳效率，成为碳中和能源体系构建中的关键障碍。

为破解这一困境，兼具高性能与环境适配性的新型隔膜材料成为研究焦点。沸石材料凭借其0.3-2 nm的均一微孔结构、可调孔径、高比表面积（500-1000 m²/g）及优异的热化学稳定性（部分可耐受600℃高温与强酸环境），展现出独特优势。与传统改性材料相比，沸石可通过分子级离子筛分、界面催化、副反应抑制等多重机制，同步提升电池安全性与能量密度，且制备过程相对环保、材料稳定性强，能减少电池全生命周期的碳排放。其在电池隔膜中的应用，不仅为突破传统隔膜性能极限提供了全新方案，更能推动储能电池向高效、长寿命、低损耗方向发展，为可再生能源的规模化消纳提供核心支撑，助力碳中和目标的实现。

成果介绍

西京学院杜滕副教授、西北工业大学苗宗成教授团队联合多所高校，对沸石基先进电池隔膜在新能源储能领域的研究进展与应用前景进行了系统性综述。沸石因具有独特的微孔结构、可调孔径、高比表面积及优异的热化学稳定性，在突破传统电池隔膜性能瓶颈中展现出巨大潜力。该综述系统梳理了沸石在电池隔膜中的核心功能机制，包括离子选择性传输、中间产物穿梭抑制、电极界面优化、界面催化激活及电解液稳定性调控。分类总结了不同类型沸石（A、X、Y、ZSM-5 等）的结构特性与应用场景，深入阐释了沸石通过微孔筛分、电荷调控、动态界面化学作用等实现电池性能提升的设计原则。最后分析了沸石基隔膜在规模化制备、长期稳定性、多体系适配性等方面面临的技术挑战，提出了孔道工程、表面功能化、复合协同设计等未来研究方向，并展望了机器学习辅助材料设计、原位表征技术与增材制造技术的融合应用前景，为开发高安全、高能量密度、长循环寿命的先进电池系统提供了重要的理论指导与技术参考，助力碳中和背景下新能源储能技术的革新与发展。该成果以“Zeolite‐Based Advanced Battery Separators: Synergistic Innovations in Structure, Performance, and Application”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、系统总结了不同类型沸石的晶体结构、理化特性及核心功能机制，涵盖离子选择性传输、中间产物穿梭抑制、电极界面优化、界面催化激活、电解液稳定性调控五大关键维度。

2、深入分析了沸石在多电池体系中的应用进展，包括锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、液流电池、空气电池等，阐释了沸石通过微孔筛分、电荷调控、动态界面化学作用、复合协同效应等实现电池安全性、能量密度、循环寿命同步提升的内在机制。

3、提出未来研究与发展方向：包括孔道工程优化、表面功能化改性、复合协同设计，以及机器学习辅助材料设计、原位表征技术与增材制造技术的融合应用。

本文要点

要点一

沸石基础特性解析

图1：沸石在电池隔膜的功能、作用和应用示意图。

文中利用表格系统梳理了A、X/Y、ZSM-5主流沸石的IZA结构代码、骨架组成、孔径尺寸、孔道排列及应用领域，揭示了沸石核心理化特性，一是孔径均一且可调（0.3-2nm），可精准匹配目标离子尺寸；二是比表面积高（500-1000m²/g），提供丰富吸附与反应位点；三是热化学稳定性优异，部分沸石可耐受高温与强酸环境，远超传统聚合物与MOFs材料。不同类型沸石的孔道结构差异（如LTA型三维互联八元环孔道、MFI型二维交叉十元环孔道），赋予其离子筛分、吸附等功能的差异化适配特性，为后续功能机制与应用研究提供基础支撑。图1展示了沸石在电池隔膜领域的功能、作用及应用。

要点二

沸石基隔膜核心功能机制与作用原理

图2：4A沸石/PVDF-HFP隔膜物理阻隔TEMPO延长循环寿命，3Å沸石减少水系锌电池副产物并抑制枝晶产生。

图3：MFI 型沸石隔膜在锂离子电池与钒液流电池中的结构设计与性能。

图4：ZSM-5/PI复合隔膜的“海绵状”通道提升电导率与孔隙率，SSZ-13/ZnS隔膜的微孔抑制多硫化物穿梭。

图5：LiX/Celgard隔膜双机制抑制多硫化物穿梭，4Å 沸石膜提升锌-碘电池性能，功能化沸石膜保障钒液流电池高选择性。

基于沸石的结构特性，原文图2-5通过SEM、TOF-SIMS、Raman光谱及COMSOL模拟等多维度表征，系统阐释了五大核心功能机制。离子选择性传输通过尺寸筛分（如4A沸石孔径4Å，允许Li⁺通过而阻挡TEMPO分子）、表面化学调控（羟基增强电解液润湿性）与离子迁移数优化（Z/PI-10复合隔膜Li⁺迁移数达0.58，显著高于纯PI隔膜的0.39）实现目标离子高效筛选；中间产物穿梭抑制采用“物理屏障+化学吸附”双策略，LiX沸石隔膜实现48小时多硫化物零渗透，SSZ-13/ZnS 复合隔膜使锂硫电池500次循环容量衰减率仅 0.052%；电极界面优化通过沸石刚性框架物理阻挡、离子通量均化与电解液润湿性改善，使锌电池腐蚀电流密度从19.95mA/cm²降至8.91mA/cm²；界面催化激活借助表面Lewis酸/碱位点降低反应活化能，如Y型沸石将Li₂S沉积过电势从145mV降至68mV；电解液稳定性调控通过吸附水分、HF等杂质（4A沸石将电解液含水量从316ppm降至51ppm）、约束溶剂分子运动与优化电场分布，有效抑制副反应发生，全方位突破传统聚烯烃隔膜性能瓶颈。

要点三

制备技术路径与性能优化策略

图6：片状silicalite涂层、菱形MFI沸石纳米片及PVDF/13X复合膜的制备及电池性能提升。

图7：锂沸石涂层与MS@PVDF-HFP@PAN复合隔膜的作用机制与性能。

图8：NH₄修饰沸石微管编织隔膜，Z/PAN膜与PVDF/ZSM-5膜的制备与性能优化。

图6-8详细阐述了二维沸石纳米片定向组装、聚合物基质复合、表面功能化改性及机械压制与原位生长等四大核心制备路径。通过孔道工程构建“微孔-介孔-大孔”多级结构、表面改性（硅烷化、离子交换）改善沸石与聚合物基质的界面相容性、复合协同设计平衡材料柔性与功能特性，实现沸石基隔膜综合性能的显著跃升，展现出远超传统隔膜的综合性能优势。

要点四

多电池体系应用进展与实践效果

图9：沸石基材料在钠离子电池、水系锌离子电池、锌-碘电池隔膜中的应用设计、作用机制及性能验证。

图9展示了沸石材料在不同电池体系（钠离子电池、锌离子电池、锌-碘电池等）隔膜中的应用及性能优化机制。沸石通过分子筛分效应（如NaA 沸石精准筛选脱水合钠离子）、微环境调控（如3Å沸石限制水分子活动、抑制锌阳极腐蚀与枝晶生长）、离子传输优化（如ZSM-5沸石构建定向通道提升锌离子迁移数）等作用，解决了电池中的离子穿梭、电极腐蚀、容量衰减等关键问题。同时，图中呈现了沸石基复合隔膜的制备工艺（如涂层、机械压制）、微观结构特征及电化学性能数据（如循环稳定性、库仑效率），直观体现了沸石与聚合物、玻璃纤维等基体复合后，在提升电池安全性、长循环寿命和高能量密度方面的显著效果。

图10：沸石基材料在液流电池及锂-氧电池体系中的应用设计、作用机制及性能验证。

图10总结了沸石材料在液流电池（钒液流电池、锌-碘液流电池）和锂-氧电池隔膜中的应用进展及核心作用机制。在液流电池领域，通过界面聚合、机械压制等工艺将ZSM-35、T型、MFI型等沸石构建成复合隔膜（如ZCM复合膜、Zeolite-T膜），利用沸石均一微孔（0.36-0.56 nm）的尺寸筛分效应，实现质子（或锌离子）与高价钒离子（如VO²⁺）、碘离子（I₃⁻）的高效分离，显著降低离子渗透率（如ZSM-35复合膜钒离子扩散系数较Nafion 115降低10倍），同时维持低界面电阻与高能量效率（如200 mA/cm²下能量效率超81%）；在锂-氧电池中，4Å沸石通过物理孔径阻隔（小于TEMPO分子尺寸）抑制中间体（如TEMPO）的穿梭效应，减少锂阳极腐蚀，延长电池循环寿命（从20次提升至170 次），并降低电解液中游离水含量以抑制副产物生成。此外，图中还呈现了沸石隔膜的制备流程、微观结构（如沸石片层排列、聚酰胺粘结层）及电化学性能数据（如循环稳定性、离子选择性），直观体现了沸石在解决液流电池离子交叉污染、锂-氧电中间体穿梭问题上的关键价值。

要点五

现存技术挑战与未来研究方向展望

针对当前沸石基隔膜规模化制备工艺复杂且能耗高、沸石与聚合物基质相容性差导致团聚、纯沸石柔性不足、多体系适配性不足等核心挑战，本文提出了明确的未来研究方向。未来将聚焦低成本无模板晶种诱导合成与卷对卷涂层工艺开发，通过孔道工程、表面改性与复合协同设计优化材料性能；针对不同电池体系的性能需求，开展沸石结构定制化设计；融合机器学习辅助材料设计、原位表征技术与增材制造技术，深入解析界面动态机制并实现隔膜结构精准调控，推动沸石基隔膜从实验室研究走向工业化应用，为高安全、高能量密度、长循环寿命电池系统的开发提供理论支撑与技术参考。

本文小结

该综述聚焦沸石基先进电池隔膜在储能领域的研究进展，系统阐述了沸石凭借独特微孔结构、可调孔径及优异稳定性等特性，在离子选择性传输、中间产物穿梭抑制、电极界面优化、界面催化作用和电解液稳定性提升等方面的核心作用与机制。同时梳理了其在锂离子电池、水系锌电池、液流电池等多类电池系统中的应用现状，并分析了当前面临的制备成本高、规模化难度大、材料相容性不足等挑战，对未来通过材料创新、技术突破及跨学科融合推动其工业应用的发展方向进行了展望。

作者介绍

第一作者

杜 滕

西京学院材料与能源科学技术研究院副教授，硕士生导师，博士毕业于大连理工大学，师从国家级教学名师孟长功教授，致力于沸石基功能材料的开发与应用的研究。近年来在Environ. Res.、J. Alloy. Compd.、Colloid.＆Surface A等国际期刊发表学术论文10余篇；申请国家发明专利6项；主持安徽省合成化学及应用重点实验室开放课题1项，西京学院高层次人才基金项目1项，在研横向课题4项。作为指导教师获得中国国际大学生创新大赛（2025）陕西赛区省级复赛奖（铜奖），指导学生获得西京学院2025届校级优秀毕业论文，入选西京学院2025届“数智赋能·优势成长”毕业设计。

第一作者

郑少芳

陕西省地质调查院中级工程师，西安文理学院实训基地教师，师从樊国栋教授，主要从事光降解催化领域及地质类分析检测领域的研究。2018年-2023年在核工业二〇三研究所担任检测员及项目负责人，主要研究空气、水污染成分的分析及治理；2023年至今在陕西省地质调查院实验中心主要研究矿产、土壤中的战略性金属的能力建设，同时参与光催化剂材料的研究。主持陕西省自然资源厅公益性项目并参与多项省部级科研项目，获得省部级奖项2项，在国内外权威期刊发表论文数篇。

通讯作者

苗宗成

西北工业大学光电与智能研究院教授，博士生导师，主要研究方向为阳离子表面活性剂和液晶化学。陕西省科技创新领军人才，陕西省杰出青年基金获得者，陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍首席科学家，陕西省海洋光学重点实验室副主任，西安市先进光电子材料与器件重点实验室主任，Wiley合作期刊Battery Energy总编辑、副主编，Current Applied Materials杂志“Liquid Crystal”专栏主编，《液晶与显示》杂志编委。主持国家自然科学基金面上项目3项，主持陕西省科技厅纵向科技项目4项，在国内外专业期刊上发表学术论文100余篇，其中第一作者SCI论文70余篇，最高影响因子25。获得18项已授权国家发明专利。获得陕西省科学技术奖二等奖3次、三等奖2次，陕西省化学优秀青年奖，山西省科学技术进步奖二等奖（第3完成人）等科研奖励2项、中国轻工业联合会科学技术奖三等奖、浙江省自然科学技术奖三等奖。

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期刊介绍

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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