摘要：随着可再生能源的快速发展，安全、低成本的水系电池(ABs)成为储能领域的新星。然而，传统ABs面临不可控的枝晶生长、离子穿梭、析氢反应等难题，导致其库伦效率低、倍率性能差以及循环寿命短。如何设计高性能ABs成为关键——“框架薄膜”具有高比表面积、孔径可调、易功

综述背景

随着可再生能源的快速发展，安全、低成本的水系电池(ABs)成为储能领域的新星。然而，传统ABs面临不可控的枝晶生长、离子穿梭、析氢反应等难题，导致其库伦效率低、倍率性能差以及循环寿命短。如何设计高性能ABs成为关键——“框架薄膜”具有高比表面积、孔径可调、易功能化等特点，其作为增强电池性能的关键组分，既可以传导离子，又能阻挡活性物质穿梭。

在此背景下，为了深入全面剖析框架薄膜在平衡离子电导率和选择性中的精确孔道结构设计，本文从微孔、介孔到大孔结构对框架薄膜进行分类，合理评价结构-性能关系。最后，探讨了框架薄薄膜在ABs中的潜在应用前景，为未来的研究和开发提供了一定的见解。

综述要点

⭐通过精准的孔道设计——在框架薄膜上定制微孔、中孔和大孔结构——解决ABs中离子传导率和选择性的挑战。

图文导读

与使用易燃的有机电解质的锂离子电池相比，ABs提供了一种安全、经济的替代方案，使其成为大规模储能和电网稳定的理想选择。但其仍受到棘手问题的限制，如电极发生副反应、不可控的枝晶生长和离子穿梭等(图1a)。

其中，膜在电池中作为保护屏障的存在，其结构和功能直接影响电池的整体性能和可靠性，目前电池中的薄膜研究主要体现在隔膜、离子交换膜和功能涂层等组件的改性及创新方面(图1b)。

图1. (a)先进ABs的器件组成和关键挑战。(b)ABs中框架膜的主要形式。

商用隔膜主要是玻璃纤维和Nafion薄膜。然而，玻璃纤维孔道分布不均匀，阻碍了离子均匀沉积。Nafion膜的成本较高，且在水环境中容易膨胀。因此，开发新型薄膜材料对于实现ABs高效稳定的循环至关重要。多孔框架材料具有高比表面积、丰富的构建基元、刚性骨架结构和连续通道等优点，在电化学储能领域展现出突出优势，特别是孔隙的大小和分布直接影响到材料的性能。因此，本展望从微孔、介孔和大孔结构分析框架薄膜，总结孔径大小与电池性能之间的关系。图2总结对比了不同框架薄膜的功能特点以及优化机理。

图2. (a)不同框架膜的离子传导率和选择性的示意图对比。(b)框架薄膜优化机理示意图。(c)框架膜的优势及局限性比较(i：微孔框架膜；ii：介孔框架膜；iii：大孔框架膜)。

(1) 微孔框架膜

微孔框架薄膜的优化策略主要体现在离子筛分层上。需要薄膜能够选择性地允许特定离子通过，同时根据离子的大小、电荷、形状等特征阻隔其它离子通过。除了对离子的精确筛选外，微孔框架薄膜通过只允许目标离子在阳极和阴极之间迁移来控制离子传输，从而确保有效的电化学反应。

(2) 介孔框架膜

与微孔膜相比，介孔框架膜具有较低的离子传输阻力。介孔结构提供了适度的比表面积和孔体积，这不仅增加了隔膜与电解质的接触面积，而且提高了离子的吸附和传递效率。此外，它可以为电极材料提供更多的附着位点，增强电极与隔膜之间的界面结合。这种强化的界面有助于电池内部更有效的电荷转移，最终有助于提高整体性能。

(3) 大孔框架膜

除了优异的离子筛分和传导率外，高效的电解液存储同样是ABs中隔膜需要具备的重要特征。显然，与微孔和介孔膜相比，大孔框架膜在储液方面具有突出的优势，确保了离子的快速扩散。研究表明将二维材料集成到三维宏观结构中可以有效地解决电极材料中离子和电子传输差的问题。因此，开发和创新大孔框架薄膜同样具有重要意义。

总结与展望

框架薄膜通过孔隙工程为ABs性能提升提供新思路，但单组分膜具有自身局限性，在未来研究中需要开发创新多功能薄膜：

(1) 机制探索：深入研究孔隙动态变化对离子筛分、传输影响。

(2) 结构创新：设计多级孔，兼顾强度与功能；开发自支撑膜，减少基材依赖。

(3) 极端耐受：开发全碳骨架，确保极端环境下稳定性。

(4) 工艺优化：减薄膜厚提升效率；控制成本，推动规模生产。

(5) AI赋能：加速材料筛选，优化合成参数，缩短研发周期。

文献信息

Lin Liu, Jiahao Chen, Ahmed Elzatahry, Dongliang Chao*, Dongyuan Zhao*, Framework Membranes for Aqueous Batteries: From Microporous, Mesoporous to Macroporous Structures, ACS Cent. Sci. 2025, 10.1021/acscentsci.5c00365

来源：板栗科技说