材研“1-0” | 马越教授、王建淦教授团队最新AM：高熵MXene隔膜协同离子筛分与阻燃实现高比能锂金属软包电池

发布时间：2026-08-12来源：材料微生活

引用本文：

Wenzhuo Tan, Jiawen Tang, Junyu Zhang, Jiefang Zhu, Yunsong Li, Ahu Shao, Tao Zheng, Fu Liu, Zhiqiao Wang, Jiacheng Liu, Chunwei Li, Jian-Gan Wang, Ting Liu, Qiurong Jia, Xin Wang, Yue Ma. “Phosphonate-Pillared High-Entropy MXene Separator Enabling Ion-Sieving, Flame-Retardant, and Energy/Power-Dense Lithium Metal Pouch Cells.” Advanced Materials (2026): e74494.

https://doi.org/10.1002/adma.74494

研究背景

电动航空、无人机等新兴应用要求储能系统在突破400 Wh kg-1能量密度的同时兼顾循环稳定性与本质安全。将富镍正极与锂金属负极耦合虽有望突破传统电池能量密度瓶颈，却面临严峻的界面安全挑战：传统聚烯烃隔膜热稳定性差、抗枝晶能力弱且易燃，而正极溶解的过渡金属离子可轻易穿透隔膜毒化负极。在低N/P比、贫电解液等实用条件下，这些耦合失效会严重缩短循环寿命并加剧热安全风险。因此，开发兼具离子筛分、机械鲁棒、电化学稳定且适配卷对卷规模化制造的多功能隔膜成为重大挑战。

成果简介

近日，西北工业大学马越教授、王建淦教授团队提出了一种机制引导的多功能隔膜工程策略。该工作以四膦酸配体（TppmH8）为刚性分子支柱，精准调控MXene层间结构，在常规单金属Ti3C2与高熵TiVNbMoC3两种MXene中均实现了层间距的拓扑扩展。所构建的高熵层状结构不仅提供了连续均一的锂离子输运通道，同时借助膦酸基团的配位作用选择性捕获溶解的过渡金属离子，并赋予了隔膜双相阻燃功能。该研究为解决极端能量密度与本征安全性之间的权衡难题提供了通用范式。论文以“Phosphonate-Pillared High-Entropy MXene Separator Enabling Ion-Sieving, Flame-Retardant, and Energy/Power-Dense Lithium Metal Pouch Cells”为题发表在《Advanced Materials》上。材料学院2024级博士研究生谭文卓为论文第一作者，马越教授、王建淦教授与合作南京航天航空大学郑滔教授为共同通讯作者。

图文导读

图1. PE隔膜与PE-TiVNbMoC3/Tppm复合隔膜在高比能电池中保护机制对比。

图2. 高熵TiVNbMoC3 MXene经Tppm分子支柱调控后的层间拓扑扩展与晶体结构演变。

图3. 复合隔膜增强Li+迁移动力学、DFT揭示低扩散能垒机制及锂对称电池长循环稳定性

图4. 贫电解液条件下1.0 Ah级软包电池的综合性能、过渡金属离子截留与原位相变行为

图5. 高熵 MXene/Tppm 隔膜通过气相自由基捕获和凝聚相陶瓷化保护层形成双重阻燃机制

结论与展望

本工作提出了一种将刚性四膦酸分子支柱与高熵MXene（TiVNbMoC3）纳米通道耦合的多功能隔膜设计策略，在分子尺度实现了对离子输运、过渡金属串扰抑制及热安全防护的协同调控。通过膦酸配体在MXene层间的精准配位插层，层间距被拓扑扩展至18.5 Å，结合高熵多金属位点的“鸡尾酒效应”，将锂离子扩散势垒显著降低至0.179 eV，并实现了高达0.77的锂离子迁移数。与此同时，膦酸基团的路易斯酸性P=O位点可化学螯合82%的溶解态过渡金属阳离子，从根本上阻断正极-负极串扰。在1.0 Ah级NCM811||Li软包电池中，该隔膜在贫电解液条件下实现了411.8 Wh kg-1的高能量密度以及200圈循环后87.1%的容量保持率。此外，由膦酸衍生PO·自由基的气相猝灭与MXene陶瓷质炭层的凝聚相屏障所构成的双相阻燃机制，在150°C热箱测试中成功抑制了热失控，验证了其本征安全特性。该工作为面向高比能、高安全锂金属电池的先进隔膜理性设计提供了材料平台与通用范式。

通讯作者简介

马越

西北工业大学材料学院长聘教授，博士生导师。主持了多项国家自然科学基金、陕西省重点项目、国际合作交流项目，近年来以第一/通讯作者在Nature Comm, EES, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Energy Storage Materials, Nano Energy等刊物上发表论文130余篇。主要从事化学电源关键材料的可控制备及界面改性方法，原位/在线相变表征技术，以及表界面反应的演化机制分析等。

王建淦

西北工业大学材料学院教授，博士生导师，主要从事电化学能源材料与器件的基础应用研究，近年来重点开展了钠离子电池和锌离子电池关键电极材料的基础研究及产业化应用。迄今在Progress in Materials Science, Energy & Environmental Science, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters, Materials Today等多个国际高水平刊物上发表论文180余篇，引用次数超过14000，ESI高被引论文26篇，热点论文3篇，H因子68，编著/编写教材3部，受邀撰写英文专著1章节。