专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称"青岛能源所"）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

新闻导读

热失控已成为制约锂离子电池大规模应用的核心安全瓶颈。随着高能量密度与高功率电池在电动汽车、便携式电子设备及电网储能等领域的广泛应用，其安全性挑战日益严峻。传统有机碳酸酯基液态电解质固有的易燃性，加之锂金属负极极高的化学活性，使得电池在遭遇过充、机械滥用或高温等异常工况时，极易诱发热失控，进而引发火灾甚至爆炸事故。

在众多的安全增强策略中，热响应自阻断电解质与隔膜被视为实现电池“本质安全”的最具前景方案之一。这类智能材料具备在温度异常升高时自主调控离子传输通道或孔道结构的能力，能够在热蔓延引发灾难性后果前，及时阻断电化学反应路径。然而，尽管该领域研究进展迅速，目前学界仍缺乏对智能热响应自阻断电解质与隔膜的设计范式、作用机理及性能评价体系进行系统性审视的综述文章。

中国工程院院士、中国科学院物理研究所陈立泉研究员，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员与张建军项目正高级工程师在专刊发表文章“Thermoresponsive self-blocking electrolytes and separators for intrinsically safe lithium batteries”。该综述系统梳理了热响应自阻断电解质与隔膜的最新研究进展，深入剖析了其分子与结构设计原则、热响应微观机理及电化学性能表现，为构建高安全、高能量密度的锂电池体系提供了系统的理论框架与技术指引。

一、简要介绍

热响应自阻断电解质与隔膜本质上是一类具备温度感知与自主响应能力的智能材料，其核心设计理念是充当电池内部的“温度保险丝”。在电池正常运行的温度区间内，该类材料能保持优异的室温离子电导率；一旦监测到温度异常升高并达到预设阈值，材料便会通过相变、孔结构坍塌或溶胶-凝胶转变等物理化学机制，迅速转变为绝缘态。这种快速响应机制能有效阻断离子传输，强制中断电化学反应，从而在源头上遏制热失控的发生。（图1）

依据响应机制与热恢复特性的不同，此类智能材料主要可划分为四大类：不可逆热响应自阻断电解质、可逆热响应自阻断电解质、不可逆热响应自阻断隔膜以及可逆热响应自阻断隔膜。其中，不可逆体系通常利用热致聚合、相分离或孔塌陷效应，构建永久性的非导电屏障，防止电池被滥用；而可逆体系则多利用聚合物的低临界溶解温度（LCST）相变行为或刺激响应性溶胀/消溶胀特性，实现随温度升降而进行的“导通/阻断”可逆循环切换。

图1. 智能热响应自阻断电解质和隔膜的示意图

二、重要进展与研究趋势

1. 热响应自阻断电解质

热响应自阻断电解质依据其响应后的可逆性，主要分为不可逆与可逆两大体系（图2）。

在不可逆体系中，材料主要通过热致聚合或相分离机制实现离子通道的永久性关断。其中，自由基引发聚合通常以偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，在受热条件下诱发含双键单体发生聚合反应，形成的高分子网络有效堵塞离子传输通道；锂盐引发聚合则利用LiPF6或LiI等锂盐直接催化单体（如VC、TXE、TEGDVE等）发生开环或加成聚合，使电解质在高温下实现快速固化；此外，相分离型电解质利用特定聚合物在升温过程中与溶剂发生脱混现象，析出富聚合物相，从而阻断离子的传导路径。

可逆体系的核心则依赖于具有低临界溶解温度（LCST）特性的聚合物-离子液体电解质。当环境温度低于LCST时，该体系呈现均相状态，具备高离子电导率；一旦温度升至LCST以上，体系会发生可逆相分离，形成低电导相以阻断离子传输；而当温度回落时，体系重新均质化，电池性能随之完全恢复。目前，以聚甲基丙烯酸苄酯（PBMA）或聚甲基丙烯酸苯乙酯（PPhEtMA）与离子液体或低粘度醚类溶剂组成的体系最具性。通过精细调控聚合物结构、锂盐浓度及溶剂组成，可将该体系的响应温度精准设定在80–110 ℃范围内。这种可逆的“开/关”特性，为消费电子等对长循环寿命和高安全性有双重需求的场景提供了理想的解决方案。

2. 热响应自阻断隔膜

与电解质类似，热响应自阻断隔膜同样涵盖了不可逆与可逆两大类型（图2）。

不可逆隔膜主要包括聚烯烃基、聚偏氟乙烯（PVDF）基以及高耐热骨架基三大类。聚烯烃基隔膜通过在聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）基材表面涂覆低熔点聚合物微球（如HDPE蜡、EVA等），在热触发下微球熔融并实现秒级封孔响应；PVDF基隔膜则借助材料自身的高熔点与高孔隙率特征，通过构建核壳纤维、引入热膨胀微球或审计三明治结构，使其在高温下发生鞠本熔融或塌陷闭孔；高耐热骨架基隔膜以聚苯并咪唑（PBI）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）等高耐热聚合物为支撑层，并复合PE、PVDF或EVA等低熔点封孔层。此类隔膜不仅能在高温下迅速关断，还能保持尺寸稳定至200 ℃以上，从而有效防止电池发生内短路。

可逆隔膜主要通过温度诱导的可逆体积变化或结构重组实现“开关”功能。例如，PVP@TiO₂复合隔膜利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在升温时与电解液相互作用产生的体积膨胀来阻塞孔道，降温后孔道恢复，且TiO₂骨架确保了整体结构的完整性；AA-BM/PAN层状隔膜则在高温下通过AA-BM的热膨胀与PAN基体发生协同反应实现闭孔，冷却后重新开放孔道。这类可逆隔膜不仅能为电池提供可重复使用的热保护，还能有效抑制锂枝晶的生长，为构建长寿命、高安全的电池系统开辟了新思路。

图2. 锂电池高温自阻断电解质与隔膜的可逆/不可逆机制示意图

三、总结展望

热响应自阻断电解质与隔膜通过敏锐的温度感应与主动的离子传输阻断机制，为锂电池的热失控防护提供了变革性的解决方案。本文系统综述了不可逆与可逆两类智能体系的设计原理、关断机制及其适用场景。尽管该领域已取得长足进步，但在响应温度的精准调控、材料的规模化制备以及长期可靠性验证等方面仍面临诸多挑战。展望未来，研究应积极引入人工智能（AI）辅助材料设计等前沿手段，加速高性能热响应材料的开发进程，从而进一步推动本质安全锂电池的实用化与商业化落地（图3）。

图3. 人工智能赋能的智能热响应电池材料加速研发框架

作者介绍

陈立泉，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，中国工程院院士，中国固态离子学奠基人、中国锂电池领域的奠基人与开拓者，2025年度国家最高科学技术奖获得者。曾获国家自然科学奖一等奖、中国科学院科学技术进步奖特等奖、国际电池材料协会终生成就奖、中国科学院杰出科技成就奖-个人成就奖等。长期从事固态离子学与新型二次电池研究工作，主要研究方向包括锂电池、钠电池、固态电解质及其界面物理化学。1980年建立了中国第一个固态离子学实验室，1988年研制出中国第一块固态锂电池，1995年研制出中国第一块液态锂离子电池，建立中国第一条锂离子电池中试线，创办中国第一家锂电池企业，推动宁德新能源、宁德时代的创立和发展。为我国锂电池产业从无到有、从跟踪到引领的跨越式发展作出了奠基性贡献。曾任亚洲固态离子学会副主席、中国固态离子学学会理事长、中国物理学会常务理事等；现任中国硅酸盐学会副理事长。先后在Chemical Reviews、Science、Nature Energy等国际顶级期刊发表论文200余篇，获授权发明专利10余项。近年来聚焦全固态锂电池关键科学问题与工程化应用，持续推动高安全、高能量密度固态电池技术的产业化进程。已培养学术界及产业界领军人才超200名，其中包括15名国家级人才计划入选者及多位知名企业家。

崔光磊，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，博士生导师，国家新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，国家深海和极地关键技术与装备专项超高比能固态锂电池项目首席科学家、中国科学院战略性先导性科技专项A类项目深海智能技术副总师、国家“万人计划”，科技部中青年科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家。曾获得中国科学院“百人计划”终期评估“优秀”、山东省技术发明一等奖、山东省自然科学一等奖、青岛市自然科学一等奖、青岛市科技进步（颠覆性技术探索类）一等奖等奖项。2005年于中国科学院化学所获得有机化学博士学位，2005年9月至2009年先后在德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。2009年2月以中国科学院百人计划研究员到中国科学院青岛生物能源与过程所工作，现任深海电源系统山东省工程研究中心主任，先进储能技术研究室主任，青岛储能产业技术研究院执行院长、中科丰元高性能锂电池材料研究院执行院长，国际聚合物电解质委员会理事、中国造船工程学会第一届深海装备技术学术委员会委员、国际储能与创新联盟理事、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、中国化学会电化学专业委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员、中国化学会能源化学专业委员会委员、Macromolecular Chemistry and Physics国际咨询委员会委员、Battery Energy期刊副主编等。近几年主要从事高比能固态电池关键材料和系统研发、深海特种电源开发应用及固态光电转换器件的研究工作。先后在能源材料、化学、器件等方面的国际权威杂志Nat. Energy、Nat. Sustain.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、J. Am. Chem. Soc.等发表文章400多篇，他引30000多次。2022-2025年被评为科睿唯安“全球高被引科学家”（交叉领域）。主编出版《高比能固态锂电池》、《动力锂电池中聚合物关键材料》学术专著2部。先后获得2017年青岛市自然科学奖一等奖（第一完成人）、2018年山东省自然科学奖一等奖（第一完成人）、2021年青岛市科技进步奖一等奖（第一完成人）、2023年山东省技术发明奖一等奖（第一完成人）、2025年中国石油和化学工业联合会技术发明奖一等奖（第一完成人）。

张建军，中国科学院青岛生物能源与过程研究所项目正高级工程师，硕士研究生导师。入选中国科学院青岛生物能源与过程研究所“清源学者青年人才”、青岛市“青岛拔尖人才”、中国科学院青年创新促进会会员、山东省泰山学者青年专家。长期致力于聚合物固态锂电池技术及其关键材料的研究，先后主持国家自然科学基金面上项目2项、国家重点研发计划子课题2项等科研任务。在知识产权与学术成果发面：已获授权欧洲、日本、美国发明专利共3项，获得授权中国发明专利22项；以第一或通讯作者身份在Advanced Materials、Advanced Functional Materials等国际权威期刊发表SCI论文34篇（其中5篇入选ESI 全球前1%高被引论文），总被引次数达4800余次；参编出版《高比能固态锂电池》、《动力锂电池中聚合物关键材料》学术专著2部。科研成果获多项省部级科技奖励，包括：2017年青岛市自然科学奖一等奖（第五完成人）、2018年山东省自然科学奖一等奖（第五完成人）、2021年青岛市科技进步奖一等奖（第五完成人）、2023年山东省技术发明奖一等奖（第五完成人）以及2025年中国石油和化学工业联合会技术发明奖一等奖（第五完成人）。