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【研究背景】

铝离子电池（AIBs）凭借铝资源储备丰富、成本低廉以及超高的理论体积容量（8046 mAh·cm^-3）等核心优势，在大规模、高安全性储能领域展现出应用潜力。在现有的非水系AIBs体系中，玻璃纤维（GF）隔膜因其对强腐蚀性氯铝酸盐离子液体（如 AlCl₃/[EMIm]Cl）表现出良好的化学耐受性，已成为主流配置。然而，传统GF隔膜的结构缺陷严重制约了电池性能，其内部孔径粗大且分布无序，缺乏对离子迁移的有效调控，易导致界面离子通量失衡和电流密度过度集中，进而诱发铝枝晶的不可控生长。此外，GF隔膜较低的机械强度难以抵御枝晶的持续穿刺，存在短路及热失控的安全隐患。因此，开发兼具高离子调控能力、机械稳定性与安全性的新型复合隔膜，已成为推动铝离子电池走向实用化的关键瓶颈。

【成果简介】

本工作提出了一种基于二维绝缘材料氮化硼纳米片（BNNSs）的隔膜工程策略，通过低成本、易放大的液相剥离技术制备了具有含氧表面官能团的少层BNNSs，并利用真空抽滤工艺将其均匀负载于商用GF隔膜表面，成功制备BNNSs@GF复合隔膜。该复合隔膜不仅具有良好的机械稳定性与阻燃特性，更重要的是能够诱导AlCl₄^-在靠近铝负极界面处重新排布，有效均化界面离子通量并抑制铝枝晶生长。得益于此，组装的Al||石墨全电池在1000 mA·g^-1下的比容量为130 mAh·g^-1，为纯GF隔膜的2.5倍。在2000 mA·g^-1条件下循环2000次后比容量保持率约为80%，表现出较高的比容量和良好的综合性能。该研究工作近期以 “Boron Nitride Nanosheet-Reinforced Glass-Fiber Separator for Safe and High-Performance Aluminum-Ion Batteries”为题名发表在学术期刊《Journal of Power Sources》上。北京化工大学毋伟教授是论文的通讯作者。

【内容表述】

图1.h-BN材料的微观形貌与结构表征。

通过超声剥离技术将体相h-BN剥离为少层BNNSs。拉曼、XRD和FTIR测试证实，剥离后的BNNSs不仅保留了完整的六方氮化硼晶格，还引入了亲水性的羟基（-OH）官能团。随后，通过简单的真空抽滤，BNNSs被均匀地涂覆在无序多孔的GF隔膜表面。

图2. BNNSs@GF隔膜的微观形貌与结构表征。

SEM 图像展示了改性前后隔膜微观结构的变化。原始 GF 隔膜（图2a）由微米级纤维随机交织而成，内部存在大量贯穿孔隙，这种结构在离子液体中会导致离子通量的无序传输。而改性后的 BNNSs@GF 隔膜（图2b）表面被层层堆叠的 BNNSs 完全覆盖，形成了致密的“瓦片状”保护层，将原本无序的开放孔道细化为纳米级曲折路径，均匀化离子通。截面 SEM （图2c）进一步证实 BNNSs 功能层厚度约为 25 μm，且与 GF 骨架紧密结合，这种层状复合结构有效提升了隔膜的整体机械强度，为抑制枝晶刺穿提供了物理防线。

图3. BNNSs@GF隔膜的阻燃性能表征。

安全性是评价 AIBs 实用化的核心指标。在机械测试中，原始 GF 在电解液浸泡后表现出较高的脆性，受力易断裂；而 BNNSs@GF 隔膜即使在反复 180° 弯折多次后仍能恢复原状，表现出良好的弯折稳定性。在直接的火焰接触测试中（图3），原始GF隔膜在5秒内被点燃，发生严重熔化；而BNNSs@GF隔膜得益于BNNSs材料的高热稳定性，在长达10秒的火焰灼烧下依然保持结构完整，质量损失仅为 4%，展现出良好的阻燃和防热失控性能。

图4. 使用GF和BNNSs@GF隔膜的Al||Al对称电池电化学性能。

电化学阻抗谱（EIS）测试表明，BNNSs@GF隔膜的离子电导率达到了9.4 mS·cm^-1，较原始GF（4.9 mS·cm^-1）提升了约92%。在对称电池循环测试中，BNNSs@GF体系展现出更低的电压滞后和更优的倍率性能。Tafel极化曲线计算得出其腐蚀电流密度降低了约61%，证明该隔膜显著抑制了副反应并提升了界面动力学。

图5. 使用GF和BNNSs@GF隔膜的Al||石墨对称电池电化学性能。

在全电池测试中，BNNSs@GF隔膜的优势被进一步放大。在1000 mA·g^-1电流密度下，电池放电容量高达130 mAh·g^-1，超过原始GF体系（约50 mAh·g^-1）。在进行100-1000 mA·g^-1的阶梯倍率性能测试后，容量恢复率高达89%。在2000 mA·g^-1的高电流密度下，电池经历2000次循环后容量仍维持在约40 mAh·g^-1（容量保持率约80%），且库仑效率始终保持近100%，展现出良好的倍率性能和长循环寿命。

图6. 循环后界面形貌及机理示意图。

循环100次后的微观形貌表征进一步揭示了界面稳定性的差异。原始GF隔膜（图6a）表面积聚了大量粗糙的颗粒状沉积物及不规则突起，表明在长期循环过程中，界面副反应产物发生了严重的无序累积，导致隔膜-电极界面状态失衡。与之形成鲜明对比的是，BNNSs@GF隔膜（图6b）在循环后依然保持了平整完好的表面形貌，且EDS能谱（图6c）显示Al元素分布高度均匀，无局部富集现象。这种优异的界面一致性直接反馈于负极侧：使用BNNSs@GF隔膜的铝负极（图6f）实现了致密、平滑的层状沉积，抑制了铝枝晶的成核生长及副产物的累积，显著提升了全电池的界面稳定性。 

图7. BNNSs@GF隔膜在铝离子电池中所发挥的离子调控与沉积均化作用机理

机理分析：BNNSs@GF隔膜保留了GF骨架以确保电解液的高效渗透，同时其负极侧密集的二维BNNS层充当了界面调控层，促使AlCl₄^-在界面处均匀分布，消除了尖端效应引起的电荷集中，引导铝的均匀成核与致密沉积，从而抑制了枝晶的生长。

【结论】

本工作采用一种绿色、简单且可规模化的方法制备少层BNNSs，通过真空抽滤制备BNNSs@GF隔膜，该隔膜在保证良好离子传输性能的同时，实现了界面结构的有效调控，为构建高性能、长寿命且安全的铝离子电池提供了可行思路。主要结论如下：

（1）BNNSs功能层的引入提高了隔膜的弯折稳定性与热稳定性。得益于BNNSs的热稳定性、导热性能及机械强度，复合隔膜表现出良好的阻燃特性与结构稳定性。在明火接触20 s条件下，BNNSs@GF隔膜的质量损失仅为2.1%，有助于提升电池体系的安全性。

（2）BNNSs@GF隔膜优化了离子传输并提高了界面稳定性。在Al||Al对称电池中，其表观离子迁移数达到0.27，高于原始GF隔膜的0.03，离子电导率约为9.47 mS·cm^-1，提升约97%。在Al||石墨全电池测试中，该隔膜在1000 mA·g^-1电流密度下可实现约130 mAh·g^-1的放电比容量，并表现出良好的倍率性能；在2000 mA·g^-1高电流密度下循环2000次后仍保持约40 mAh·g^-1的容量。BNNSs功能层能够调节界面离子通量分布，促进铝的均匀沉积，从而缓解枝晶生长与界面劣化，提高电池的循环稳定性。 

【文献信息】

Zebing Liu, Ding Cai, Xiaoyu Yang, Junhao Cao, Ning Ma, Yuran Wang, Mengxue Zhao, Fang Cai, Wei Wu*. Boron nitride nanosheet-reinforced glass-fiber separator for safe and high-performance aluminum-ion batteries. Journal of Power Sources, 2026, 678, 240060. 

原文链接/DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.240060