本文报道了一项关于利用晶体工程（crystal engineering）开发可降解聚酯隔膜用于高性能可持续锂离子电池（lithium-ion batteries, LIBs）的原创研究。该研究由Xinke Dai、Jia-Yao Chen、Kaixuan Zhou、Long Zhang、Tong Li、Hai-Mu Ye、Shengming Xu、Zhenghao Li、Lanting Qian、Yun Zheng、Guoyong Huang、Wei Yan和Jiujun Zhang等人合作完成，主要通讯作者为Hai-Mu Ye、Yun Zheng、Guoyong Huang和Jiujun Zhang。研究单位包括中国石油大学（北京）新能源与材料学院、清华大学核能与新能源技术研究院以及福州大学材料科学与工程学院。该论文于2025年6月13日被Nano Energy期刊接收，并于2025年6月14日在线发表，论文编号为142 (2025) 111247。

本研究的学术背景主要集中在锂离子电池隔膜材料的可持续性问题上。传统商用聚烯烃（polyolefin）隔膜，例如聚乙烯（polyethylene, PE）隔膜，在电池寿命终结后无法自然降解，废弃处理时常采用热解（pyrolysis）方式，造成显著的环境负担。随着对废旧锂离子电池环境风险认识的加深，开发绿色可降解的隔膜材料成为迫切需求。已有研究尝试使用纤维素（cellulose）、聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol), PVA）以及聚乳酸（poly(L-lactic acid), PLLA）、聚己内酯（poly(ε-caprolactone), PCL）和聚丁二酸丁二醇酯（poly(butylene succinate), PBS）等可降解聚酯材料制备隔膜。然而，大多数聚酯隔膜在商用电解液的酸性环境中稳定性不足，循环寿命有限，且降解产生的酸性产物会恶化电池性能。因此，如何提高聚酯隔膜的稳定性并实现长循环寿命是当前研究的核心难题。本研究的目标是通过晶体工程方法将PBS制备为具有伸直链晶体（extended-chain crystal, ECC）结构的隔膜，从而显著提升其结晶度、热稳定性、机械性能和抗降解能力，并验证其在长寿命锂离子电池中的应用潜力。

研究流程主要包括以下几个关键步骤。首先，以工业化可降解聚酯材料PBS为原料，采用静电纺丝（electrospinning）方法制备纳米纤维膜，随后经过膜压、热处理和水洗等工序，利用PBS与尿素形成包合物（inclusion complex）的晶体工程策略，成功制备了具有伸直链晶体结构的e-PBS隔膜。作为对照，普通折叠链晶体（folded-chain crystal, FCC）结构的f-PBS隔膜和商用PE隔膜也被纳入研究。其次，对隔膜的基础结构和性能进行系统表征，包括使用广角X射线衍射（WAXD）分析晶体结构、差示扫描量热法（DSC）测定熔点和结晶度、热收缩测试、力学拉伸测试、表面静电势（ESP）分布模拟、接触角测试、溶胀率和电解液吸液率测试以及降解速率测定。第三，通过电化学阻抗谱（EIS）、线性扫描伏安法（LSV）、Tafel曲线和循环伏安法（CV）等电化学测试评价隔膜的离子电导率、锂离子迁移数、电化学稳定窗口和锂沉积动力学。第四，将隔膜组装成磷酸铁锂/锂金属（LiFePO₄/Li）纽扣电池和LiFePO₄/石墨软包电池，测试倍率性能和长循环性能，并通过X射线光电子能谱（XPS）分析循环后锂金属负极表面固体电解质界面（SEI）膜的组成。第五，研究e-PBS隔膜在碱性溶液中的降解行为，验证其在废旧电池回收中的可行性，并进行全生命周期评价（life cycle assessment, LCA）比较e-PBS与PE隔膜的环境影响。在实验方法上，晶体工程策略是该研究的核心创新，通过尿素包合物法使PBS分子链从折叠链状态转变为伸直链状态，从而获得接近100%结晶度的e-PBS隔膜。此外，第一性原理计算被用于分析Li⁺和PF₆⁻在隔膜表面的吸附能和扩散能垒，用以解释锂离子迁移数提高的微观机制。

研究结果显示，e-PBS隔膜在多个方面表现出优异性能。在结构方面，WAXD拟合表明e-PBS的平均晶粒尺寸沿b轴为9.61 nm，沿c轴超过24.09 nm，显著大于f-PBS的3–4 nm。DSC测试显示e-PBS的熔点为134°C，远高于f-PBS的115°C，熔融焓为132.3 J/g，接近100%结晶PBS的理论值，表明其结晶度高达99.1%。热收缩测试中，e-PBS隔膜在100°C下的热收缩率仅为5.4%，而f-PBS隔膜为25.7%。力学测试中，e-PBS隔膜的拉伸强度达到19.2 MPa，是f-PBS隔膜的15倍，电解液浸泡48小时后仍保持18.3 MPa。在电解液相互作用方面，e-PBS隔膜对碳酸二甲酯（DMC）、碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）等电解液组分表现出更均匀的表面静电势和更小的接触角，电解液吸液率在室温下达到264.8%，7天溶胀率仅为8.1%，远低于f-PBS隔膜的24.4%。降解测试表明，e-PBS隔膜在磷酸盐缓冲液中30天后pH仅轻微下降，电解液中30天重量损失仅为0.3%，而f-PBS隔膜损失1.3%。在电化学性能上，e-PBS隔膜的离子电导率达到3.19 mS·cm⁻¹，显著高于f-PBS的0.73 mS·cm⁻¹和PE的0.25 mS·cm⁻¹；锂离子迁移数为0.47，高于PE隔膜的0.19；电化学稳定窗口达4.3 V，优于PE的4.05 V和f-PBS的3.90 V。第一性原理计算表明，e-PBS表面对Li⁺的吸附能为–0.60 eV，扩散能垒为0.60 eV，而对PF₆⁻的扩散能垒为0.71 eV，这解释了其高锂离子迁移数的原因。在电池性能方面，LiFePO₄/Li纽扣电池在1 C倍率下循环1000次后，e-PBS隔膜电池的容量保持率为66.8%，而PE隔膜电池在200次循环后因短路失效。LiFePO₄/石墨软包电池在1 C倍率下循环1000次后，e-PBS隔膜电池的容量保持率达到79.6%，远高于PE隔膜电池的40.6%。循环后XPS分析显示，f-PBS隔膜电池锂金属表面SEI中酯基含量显著升高，表明f-PBS在循环过程中发生了严重分解，而e-PBS隔膜未发生明显降解。在回收方面，e-PBS隔膜可在pH=8的碱液中快速溶解，使正负极自然分离，回收的磷酸铁锂的XRD图谱与原始材料无差异，表明回收过程未破坏材料结构。全生命周期评价结果表明，e-PBS隔膜在全生命周期内的CO₂和SO₂排放分别比PE隔膜减少42.8%和38.0%，在“资源消耗与污染”和“气候与生态效应”两个维度的环境影响均显著低于PE隔膜。

本研究的结论是，通过晶体工程成功开发了具有伸直链晶体结构的e-PBS隔膜，该隔膜在结晶度、热稳定性、机械强度、抗溶胀和抗降解性能方面远超普通折叠链晶体f-PBS隔膜。与商用PE隔膜相比，e-PBS隔膜具有更优异的电解液亲和性、更高的离子电导率、更高的锂离子迁移数和更宽的电化学稳定窗口。在LiFePO₄/石墨软包电池中，e-PBS隔膜实现了1000次循环后79.6%的容量保持率，显著优于PE隔膜和其他已报道的聚酯基隔膜体系。此外，e-PBS隔膜的可降解特性使废旧电池回收过程更加简便、高效和环保，全生命周期评价进一步证实其环境友好性。本研究的科学价值在于首次将晶体工程策略应用于聚酯隔膜的稳定性提升，为解决聚酯材料在锂电池电解液中的降解问题提供了新思路。其应用价值在于为下一代可持续锂离子电池提供了一种高性能、可降解的隔膜候选材料，并展示了其在简化电池回收流程和降低全生命周期环境影响方面的巨大潜力。

本研究的亮点主要包括：第一，创新性地利用尿素包合物晶体工程方法制备了结晶度接近100%的伸直链晶体PBS隔膜，显著提升了聚酯材料在锂电池电解液中的稳定性；第二，e-PBS隔膜在离子电导率和锂离子迁移数等关键电化学指标上优于商用PE隔膜，并实现了软包电池1000次长循环后79.6%的容量保持率；第三，e-PBS隔膜可通过碱性溶液快速降解，使废旧电池正负极自然分离，大幅简化了回收流程；第四，全生命周期评价表明e-PBS隔膜的CO₂和SO₂排放分别比PE隔膜减少42.8%和38.0%，充分体现了其可持续发展优势。此外，该研究通过第一性原理计算揭示了e-PBS表面极性基团对锂离子选择性传输的微观机制，为后续高性能可降解隔膜的理性设计提供了重要参考。