对高能量密度电源日益增长的需求推动了人们对锂离子电池替代品的探索。在众多新型候选电池中，Li- Se电池理论上可具有高体积比容量、快速反应动力学和高倍率性能。然而，Li-Se电池面临着正极侧可溶性多硒化锂的穿梭和负极侧锂枝晶生长的挑战，容易导致电池容量快速损失、倍率性能差等问题。

近日，我院胡征教授团队在商用聚丙烯（PP）隔膜两侧涂覆氮掺杂碳纳米笼（hNCNC）和氮化铝（AlN）纳米线，构建了多功能双面修饰隔膜（记为hNCNC-PP-AlN）。使用该双面修饰隔膜的Li-Se电池在室温（25 °C）下表现出前所未有的倍率性能和优异的循环稳定性。在−30至60 °C的宽温域内，相应的Li-Se电池仍然可以稳定运行，并具有优异的电化学性能。实验与理论研究表明，hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜优异的性能源于：①正极侧hNCNC层的化学吸附和电催化作用抑制了多硒化锂的穿梭；②负极侧导热AlN层抑制了锂枝晶的生长；③类似于“木桶原理”，两侧涂层共同作用时的效果大于分别使用单面涂覆隔膜的效果之和，显示出“1+1>2”的协同效应。

图1为hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜的制备和表征。通过抽滤将AlN纳米线均匀覆盖在PP隔膜一侧，待其干燥后将hNCNC涂覆在PP隔膜的另一侧。制备的双面隔膜可以承受反复折叠，不脱落、不掉粉，表明两侧涂层与PP隔膜基底之间具有良好的附着力。hNCNC和AlN层极大地提高了隔膜对电解液的亲和力，其接触角分别为~14°和~0°，远小于原始PP隔膜的~45°。这种对电解液的高浸润性可以促进Li⁺离子透过双面隔膜快速输运。

图1 hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜的制备与表征。

图2为使用不同隔膜组装的Li-Se电池的电化学性能。在室温下，相比于使用其他隔膜的电池，使用hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜的电池在各电流密度下比容量最高，且随着电流密度的增加，比容量的提升越来越明显。即使在25 C的超高倍率下，使用该双面修饰隔膜的电池仍然提供了331 mAh g⁻¹的高比容量。在3 C时循环500圈后该电池比容量保持为408 mAh g⁻¹。在−30至60 ℃的宽温域内，使用hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜的电池也具有优异的电化学性能。循环400圈后，使用该双面修饰隔膜的电池在50 °C（3 C）和−15 °C（1 C）下的比容量分别为379 mAh g⁻¹和265 mAh g⁻¹，明显优于使用其他隔膜的电池。

图2 使用不同隔膜的Li-Se电池的电化学性能。

图3揭示了正极侧hNCNC对多硒化锂的化学吸附和电催化作用。紫外可见吸收光谱和自放电实验结果表明hNCNC层在静态和电池运行条件下对多硒化锂均具有良好的化学吸附作用，而另一侧的AlN层使得双面修饰隔膜进一步增强了这种能力。此外，循环伏安曲线的峰位移和Tafel曲线斜率表明hNCNC层加速了电池氧化还原反应动力学，提高了反应的可逆性。与空白碳纸相比，hNCNC涂覆的碳纸上的Li₂Se沉积面积更大，证明hNCNC可加速催化多硒化锂向Li₂Se的转变。通过DFT计算研究了硒放电过程中各步骤的Gibbs自由能。对于吡啶N@zigzag边上的吸附态，从Li₂Se₂到Li₂Se这一速率限制步骤转变为放热，表明吡啶N@zigzag边对多硒化锂转化具有最好的催化活性。

图3 正极侧hNCNC对多硒化锂的化学吸附和电催化作用。

图4揭示了负极侧AlN对锂枝晶生长的抑制作用。Li|Li对称电池结果表明含AlN层的隔膜具有最低的过电位和最长的循环寿命，锂负极表面更加致密平坦，表明AlN层有效地抑制了锂枝晶。

图4 负极侧AlN对锂枝晶的抑制作用。

图5揭示了hNCNC-PP-AlN双面修饰隔膜增强Li-Se电池性能的机制。当使用PP隔膜时，Li-Se电池面临多硒化锂穿梭和锂枝晶生长这两个最为严峻的挑战，导致活性Se物质流失和锂负极腐蚀，存在安全隐患。使用双面修饰隔膜后，可同时解决以上两个挑战。其中，正极的hNCNC层通过化学吸附和电催化有效地抑制了多硒化锂的穿梭，而负极的AlN层可以抑制锂枝晶的生长、促进Li⁺离子的快速运输。这种增强效应可用“木桶原理”来解释，使用hNCNC-PP-AlN双面隔膜后，通过同时抑制穿梭效应和锂枝晶生长（即“同时补上两块短板”），可以使电池性能达到最高水平，大于使用单面隔膜的效果之和，显示出“1+1>2”的协同效应。

图5 hNCNC-PP-AlN双面隔膜增强Li-Se电池性能的机理。

该研究成果以“High-rate lithium-selenium batteries boosted by a multifunctional Janus separator over a wide temperature range of −30 to 60 °C”为题发表在Advanced Materials上。我院的博士生郭月为第一作者，吴强教授、杨立军副教授和胡征教授为通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项等项目的资助。