随着新能源汽车和储能产业的快速发展，锂离子电池的安全问题日益受到关注。锂枝晶的不可控生长是引发电池内短路、热失控甚至爆炸的关键瓶颈之一。传统聚烯烃隔膜受限于熔点低、穿刺强度差、孔隙分布不均等问题，难以满足高安全、高性能锂电池的需求。针对这一行业痛点，东华大学洪枫教授团队以天然细菌纳米纤维素（Bacterial Nanocellulose，BNC）三维纳米网络为骨架，结合羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH），设计了一种中层可导电的具有“三明治”结构的可持续隔膜（SBCB），实现了对锂枝晶穿透的早期预警，显著提升了电池安全性（如图1所示）。

  该成果以“A sandwich-structured sustainable separator based on pristine bacterial cellulose nanofiber network for lithium dendrite early-warning and enhanced battery safety”为题，近期发表于《International Journal of Biological Macromolecules》。

图1 图形摘要

1. 核心设计：原生BNC骨架打造三层复合结构

  不同于传统改性隔膜采用的涂层、沉积工艺，该研究采用常规静态发酵法培养BNC作为结构骨架，通过浸渍工艺使MWCNTs-COOH与BNC纳米纤维原位构建导电网络，再经热压成型，获得绝缘BNC外层 - 导电BNC/CNT中间层 - 绝缘BNC外层的三明治结构。避免了导电添加剂脱落的风险，制备的SBCB兼具优异的可折叠性与柔韧性，孔隙分布比商用Celgard-2325隔膜更均匀连通（图2与图3）。

  整个制备工艺与现有工业静态发酵流程完全兼容，无需新增特殊生产设备，具备规模化量产潜力（中国发明专利ZL202311738771.6）。

图2 （a）SBCB隔膜的制备工艺示意图；（b）SBCB复合膜的宏观形貌；（c）不同隔膜的柔韧性；（d）Celgard-2325商业隔膜的SEM图像；（e-g）FTIR光谱图。

图3 SBNC、CBNC及SBCB中间层的表面（A-J，a-e为高倍率视图）及截面（K-O，k-o为高倍率视图）的SEM图像。

2. 锂枝晶提前预警，给电池装上「安全警报」

  SBCB隔膜独特的三层结构赋予了主动预警锂枝晶穿透的能力：当枝晶生长穿透外层绝缘BNC后，接触到中间导电层就会引发微内短路，产生电压降，电池管理系统（BMS）捕捉到信号即可提前预警，此时最内层绝缘BNC仍能维持电池正常工作，避免灾难性事故发生。研究数据显示，最优配比的0.75%SBCB中间层导电性适中、分布均匀，预警可靠性极强。在8 mA cm?2高倍率加速充电测试中，约4000秒时枝晶初步接触中间层触发预警信号，后续6300秒内主电池仍可稳定运行，直至约10300秒完全预警，主通道电压依然正常。相比之下，商用Celgard-2325隔膜在1350秒即发生严重内短路，5100秒彻底失效（图4）。

图4 （a）SBCB隔膜的功能示意图；（b）SBCB隔膜中间层的电导率；（c-d）使用0.75% SBCB隔膜的锂对称电池（8 mA cm^?2，1 mAh cm^?2）进行加速充电的电压曲线。

3. 综合性能多维度超越传统聚烯烃隔膜

  得益于BNC固有的纳米网络结构及羟基极性基团，0.75%SBCB隔膜的综合性能远超商用Celgard-2325隔膜：

• 力学性能：拉伸强度193.39 MPa、杨氏模量3.17 GPa、穿刺强度5.24 N，杨氏模量比商用隔膜高出近一个数量级，有效避免内短路；电解液浸泡24小时后平均层间黏附力达0.67 N，结构稳定性极强（图5）。

• 热稳定性：200°C下无明显尺寸收缩，而商用隔膜120°C即开始收缩，200°C热收缩率高达83%，极端环境下安全性更有保障（图6）。

• 电解液亲和性：电解液吸收率高达536.1%，孔隙率为54.24%，分别为商用隔膜的1.6倍和1.7倍，为离子高效传输提供理想通道（图6）。

图5 SBCB隔膜：（a）结构示意图；（b）穿刺曲线；（c）应力-应变曲线；（d）拉伸强度；（e）层间剥离力随时间变化曲线；（f）25-245 s 时间段内层间作用力的统计。

图6 不同隔膜的表征：（a）电解质吸收率与孔隙率合图；（b）垂直润湿性；（c）润湿性能；（d）TG与DTG（插图）曲线；（e）不同温度下的热成像照片；（f）热收缩图像。

4. 电化学及循环性能优异，工业化潜力大

  0.75%SBCB隔膜离子电导率达0.64 mS cm^-1，锂离子迁移数高达0.59，约为商用隔膜的2.27倍，电化学稳定窗口宽达0-5V。在LiFePO₄-Li电池中，0.2C下循环200次容量保持率达92%，1C下循环300次仍保持54%初始容量，远优于商用隔膜的16%；在Li-Li对称电池中可实现约4500小时的稳定锂沉积/剥离，极化电压仅18.5 mV（图7）。循环后拆解显示，锂负极表面形成了光滑均匀的SEI层，有效抑制锂枝晶生长。该隔膜以生物基BNC为基材，绿色环保，制备方法与现有BNC静态发酵工艺兼容，具备工业化生产潜力，为高安全锂离子电池的设计提供了全新路径。

图7 不同隔膜的电化学与循环性能：（a）EIS；（b）离子电导率；（c）LSV曲线；（d）tLi?值的统计分析；（e）在0.2C下的循环性能；（f）循环后的充放电曲线；（g）Nyquist图；（h）在1C下的循环性能；（i）基于BNC的隔膜的性能雷达图；（j）电压-容量曲线（1 mA cm^-2，1 mAh cm^-2）；（k-l）循环后不同隔膜及锂负极的SEM图像；（m-p）循环后锂负极表面的元素分析。

5. 产业应用价值解读

  从行业发展背景来看，我国锂离子电池产业规模增长迅猛，2024年全国锂电池总产量达1170GWh，同比增长24%，其中动力型锂电池占比超70%，高安全性、高性能隔膜的市场需求持续走高。据新思界产业研究测算，2025-2030年国内纤维素隔膜市场年复合增长率将超过20%，属于千亿级蓝海赛道，目前行业整体处于商业化落地初期，拥有广阔的市场空间。

  本成果具备较强的产业化落地可行性：核心基材细菌纳米纤维素（BNC）的工业静态发酵工艺已在国内实现规模化量产，无需额外投入大额专用生产线改造。

  在应用场景上，这款SBCB隔膜可覆盖多领域需求：既可以适配新能源汽车动力电池、家用/工商储能锂电池，解决高倍率充放电下锂枝晶引发的安全痛点，也可应用于特种储能设备、户外移动电源等对安全性要求更高的细分场景。其生物基可降解的特性也完全契合我国“双碳”政策导向，以及新能源材料全生命周期低碳化的监管要求，符合全球锂电产业绿色升级的发展趋势。

  该成果填补了国内生物基锂电预警隔膜的技术空白，为我国锂电产业链核心材料自主可控提供了新的技术路径，也为细菌纳米纤维素材料在新能源领域的规模化应用打开了全新的落地场景。

  论文第一作者为东华大学生物与医学工程学院博士生高璐，通讯作者为细菌纳米纤维制造及复合技术科研基地的洪枫教授。该研究得到了“纺织之光”科教基金、上海市科学技术委员会，以及国家先进功能纤维创新中心的资助。

  全文下载链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2026.154448