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给电池隔膜做“体检”，水系电池隔膜表征方法盘点

来源：时间：2025-12-09 10:21:00 浏览：594次

给电池隔膜做“体检”，水系电池隔膜表征方法盘点

在各种电池示意图里，隔膜通常只是一条白色的横线：上面是正极，下面是负极，中间写着“separator”。但在水系电池里，这条白线承担了很多事：既要让离子自由通过，又要挡住枝晶、颗粒和各种“捣乱分子”；既要泡在电解液里稳定工作，又不能被水、盐和副产物慢慢“啃”掉。

水系电池隔膜常见缺陷示意图

图1.隔膜常见缺陷示意图（Ref. https://doi.org/10.1002/aenm.202502652）

这些能力，并不是凭感觉判断出来的，而是可以通过一系列表征手段一点点量出来的。下面按几个常见维度，把水系电池隔膜的“体检项目”做一个小盘点。

形貌、孔结构和厚度

1.表面/截面SEM 扫描电镜

看到的主要是：

·表面纤维是否均匀、有没有明显缺陷或大孔；

·截面中孔道是否贯通、厚度是否均一。

对水系Zn电池体系来说，孔太大、太直，枝晶更容易“一路通行”；孔结构更弯曲、均匀时，往往更有利于分散电流、延缓刺穿。

案例分析

图2.GF隔膜和修饰隔膜沉积后SEM图（Ref. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202407262）

扫描电子显微镜（SEM）分析结果显示（图2），使用GF隔膜的铜箔表面出现明显的Zn枝晶突起。相反，使用PP-g-AA隔膜的铜箔表面非常光滑，显示出均匀沉积的锌和强烈的金属光泽。

2.孔隙率与孔径分布

·常用方法：汞压法、气体吸附、泡点测试等。

·孔隙率决定隔膜能装下多少电解液，孔径分布决定离子和溶剂如何穿行：

孔很大：电导高，但枝晶、颗粒更容易通过；

孔很小：有利于筛分和抑制枝晶，但传输阻力会增加。

案例分析

GF隔膜和修饰隔膜

图3.a GF隔膜和修饰隔膜的孔径分布；b GF隔膜和修饰隔膜的孔隙率（Ref. https:/doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104247）

山东大学等单位的研究团队在Energy Storage Materials发表的“Alleviating salt depletion at the Zinc anode interface by an ion-releasing separator to achieve ultra-stable Zinc anode”工作中，报道了一种负载超薄含氧空位ZrP纳米片的功能隔膜GFZP。作者在Fig. 3a对比了商用GF和GFZP的孔径分布，可以看到GFZP的大孔明显减少，整体孔径向更小、更集中收缩，说明D-ZrP纳米片均匀填充了玻纤之间的孔道，有利于避免Zn颗粒在隔膜孔内堆积，也降低了枝晶直接“钻进孔里”的几率；Fig. 3b则定量给出了两者的孔隙率：GF约为91.8%，GFZP为88.1%，仅有小幅下降。结合后文更高的离子电导率，可以看出这一设计并不是简单“把孔堵死”，而是在略微收紧孔道、抑制局部Zn堆积和枝晶穿透的同时，仍然保留了足够的整体空隙和贯通通道，在“安全孔结构”和“高效离子传输”之间做了一个比较典型的折中。

3.厚度与面密度

·使用截面SEM或千分尺即可得到。

·厚度越大，机械安全边际越高，但离子路径也更长；

·在同类材料里，比厚度更有信息量的，往往是“厚度+孔隙率+电导率”组合。

润湿性与电解液吸持

1.接触角测试

·把水系电解液滴在隔膜表面，观察液滴展开的速度和接触角大小。

·很直观地反映隔膜对电解液的“亲近程度”：

接触角小、铺展快：电解液容易渗入孔道，前期极化通常较小；

接触角大：意味着一开始电解液难以均匀浸润，可能带来局部干区和热点。

案例分析

接触角测试

图4.接触角测试（Ref. https://doi.org/10.1002%2Fadfm.202520280）

浙江理工大学等团队在Advanced Functional Materials发表的“Interfacial Engineering of Ion-Sieving Sodium Alginate/Halloysite Nanotubes Modified Cellulose Separator for Ultra-Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries”中，用一个很典型的接触角实验把“隔膜亲液性为什么重要”讲得很清楚：原始滤纸隔膜在2 m ZnSO4电解液中的接触角大约为37.9°，而引入SA/HNTs功能层后，接触角降到28.5°，说明表面变得更加亲水、电解液铺展更充分。结合前面的孔隙率和电解液吸液率结果，可以理解为：一方面，SA上大量–OH / –COO⁻基团和HNTs管状结构一起，帮隔膜“抓住”更多电解液，形成连续的离子传输通道；另一方面，更小的接触角意味着电解液能快速浸润进纤维和纳米孔中，减小界面接触阻抗，为后面图3里展示的高Zn2+ 迁移数和更稳定的对称电池循环打下了一个很直观的“物理基础”。

2.吸液率与保液性

·一般通过称重法：干膜→浸泡平衡后的湿膜→计算质量增加百分比。

·吸液率高，有利于形成连续的离子通道；但如果材料本身机械强度有限，吸液过多也容易带来尺寸变化和强度下降。

这些指标组合起来，就构成了隔膜在“电解液管理”方面的基本画像。

离子传导与选择性

水系电池中，隔膜不仅是“有孔就可以”，还会影响不同离子的迁移行为。

1.离子电导率与迁移数

·常见做法：将隔膜夹在两片惰性电极之间，用EIS获取电导；再通过稳态电流法与阻抗组合，估算阳离子迁移数（t⁺）。

·在相同电解液、不同隔膜条件下比较这些参数，可以看到：哪一种隔膜更支持Zn2+（或其他金属离子）迁移，哪一种会让阴离子在界面堆积得更多。

2.渗透实验/ H-cell测试

·把隔膜夹在两个小池之间，一侧是含有特定物种的电解液（如多硫阴离子、I3⁻等），另一侧是空白或低浓度溶液。

·随时间采集样品，用UV–Vis、ICP等分析穿透量。

·这类实验常用于：

评价隔膜对shuttle物种的抑制能力；

比较不同功能层/多孔结构对某些阴离子的筛分效果。

3.对称电池极化

·例如Zn//Zn对称电池，在恒电流或电流脉冲条件下跟踪过电位变化。

·在相同电解液、不同隔膜下，过电位的大小和稳定程度，反映了隔膜+界面组合的传输环境是否顺畅、是否逐渐恶化。

这些传输相关表征，会在文献中和“倍率性能”“极化”“库仑效率”等宏观数据一起出现，形成一组呼应。

化学稳定性与界面沉积

水系环境中，隔膜不仅要透离子，还要经受pH变化、氧化还原物种、副产物的长期“折腾”。

1.浸泡前后化学结构比较

·将隔膜在电解液或工作电压窗口下浸泡一段时间后，用FTIR、XPS等方法检测官能团和表面化学组成的变化。

·可以看到：

是否发生水解或氧化；

是否有电解液组分在隔膜上发生分解并残留。

2.循环前后隔膜形貌

·从循环后的电池中取出隔膜，用SEM扫描电镜、XRD等观察：是否有Zn(OH)2、碱式盐、MnOOH、硫/多硫等副产物沉积；是否出现枝晶刺穿痕迹或局部堵塞。

案例分析

200 次循环后滤纸和滤纸隔膜XRD图

图5| 200次循环后滤纸和SA/HNTs滤纸隔膜的XRD图案；（Ref. https://doi.org/10.1002%2Fadfm.202520280）

浙江理工大学团队这篇Advanced Functional Materials的工作里，Fig.5用循环前后XRD做了一个很典型的“化学成分体检”，把功能隔膜在抑制副产物上的作用说得很清楚：原始滤纸隔膜在Zn∥Zn对称电池里跑了200圈之后，XRD上除了纤维素本身的衍射峰，还多出一排强烈的新峰，对应Zn4SO4(OH)6·5H2O这类碱式锌盐副产物，说明大量腐蚀/副反应产物已经沉积在隔膜表面和孔道里；而换成SA/HNTs-filter paper之后，同样条件下得到的隔膜XRD里，这些副产物峰几乎减弱到“若隐若现”，主导仍是基体的纤维素信号。配合前面SEM看到的“原始滤纸被枝晶和副产物塞满” vs “SA/HNTs隔膜形貌基本完好”，这一组XRD直观证明了：功能涂层一方面在界面上拦截了由电解液与Zn反应生成的碱式锌盐，另一方面也减轻了SO42- 向锌负极的无序迁移和水活性，从化学组成的角度印证了它确实在帮电池“少长垢、少生锈”，为长循环打基础。

3.元素分布与深度信息

·通过截面EDS或TOF-SIMS，可以看到金属离子、阴离子在隔膜内部的迁移和富集情况。

·这些信息有助于理解：枝晶是如何接触隔膜、穿透隔膜的，shuttle物种是在表面被截留，还是已经深入孔道。

能不能扔进“真实电池”：机械和热性质

在更靠近工程应用的场景中，隔膜的机械和热稳定性也会被放在表征列表里。

1.机械强度

·包括拉伸试验、刺穿测试、反复折叠等。

·这些实验并不直接给出电化学信息，但会影响电芯装配和长期可靠性。

2.热与尺寸稳定性

·利用DSC/TGA测热行为，配合热收缩测试观察在一定温度范围内的尺寸变化。

·即便水系电池整体热风险低于有机体系，隔膜在温度变化中的尺寸稳定性，仍然会影响堆叠压力和界面接触。

隔膜的“体检报告”可以更完整一点

把上面这些项目放在一起，其实就能为一张隔膜画出一份相当完整的“体检报告”：它在显微镜下长什么样，是否容易被电解液润湿；孔道是笔直还是弯曲，离子在里面通行是顺畅还是拥堵；长时间工作之后，会不会被副产物覆盖、被枝晶刺穿；在拉一拉、烤一烤之后，能不能保持形状。

在水系电池文献里，当接触角、渗透实验、对称电池极化、循环后隔膜SEM这些图同时出现时，往往就在讲隔膜在“传输”“筛分”和“稳定性”三个维度的故事。从这个意义上说，隔膜不再只是图里那条简单的白线，而是电极与电解液之间，一个可以被设计、被测量、也可以被慢慢“讲清楚”的微环境调节器。

本次的分享内容到这里就结束啦，关于上文中所提及的水系电池相关测试内容，测试GO均可提供！

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