二维（2D）材料膜在抑制锂枝晶生长方面展现出巨大潜力，可提升锂金属电池的安全性和稳定性，同时增强其循环性能与倍率能力。然而，膜内二维材料的空间分布与电化学性能之间的精确关系尚不明确，这制约了材料的理性设计与性能优化。为解决这一问题，本研究基于CuBDC纳米片设计并构建了两种复合膜结构：传统平面构型与垂直开放（VO）结构。综合理论与实验分析表明，垂直取向的CuBDC/PP复合膜（VO-CuBDC/PP）具有缩短的离子传输路径、降低的迂曲度，并暴露出丰富的亲锂位点。这种独特设计使锂离子通量均质化，调控质量传输，并促进致密锂沉积。基于VO-CuBDC/PP的锂-锂电池因此实现了超过700小时的循环寿命延长，且在1 mA cm<sup>−2</sup>电流密度下保持较低初始过电位。−22 毫安时每平方厘米−2。此外，采用VO-CuBDC/PP隔膜的锂硫全电池即使在2C高倍率下仍表现出卓越的长期循环稳定性，并在4.8毫克每平方厘米的高硫载量条件下实现了约4.96毫安时每平方厘米的极高面容量−2。该研究从基础层面揭示了纳米材料取向如何调控隔膜特性，为先进储能系统提供了战略性设计原则。−2. This work provides fundamental insights into how nanomaterial orientation governs membrane properties, offering a strategic design principle for advanced energy storage systems.
锂金属具有最低的还原电位（−3.04 V vs. SHE）和最高的理论比容量（3860 mA h g<sup>−1</sup>），−1) 被视为下一代高能量密度二次电池（如锂氧电池和锂硫电池）最具前景的阳极材料[[1], [2], [3]]。然而，由于锂与电解质的极端反应活性及锂枝晶导致的库仑效率低下和安全隐患问题，阻碍了锂金属电池的广泛应用[4]。锂枝晶可能刺穿隔膜，引发电池短路并导致安全问题。目前已有多种抑制枝晶生长的方法被研究，其效果参差不齐[5,6]。这些努力旨在通过电解液配方或界面调控来缓解锂的不均匀沉积，或通过电极表面/体相工程机械性地构建物理屏障以抑制枝晶锂的生长。隔膜作为电池中隔离正负极并为锂离子传导提供通道的最重要组件之一，在其表面构建改性层成为显著抑制枝晶锂生长的有效手段[7]。各类改性材料已被广泛研究，包括纤维素气凝胶[8]、无机陶瓷、MOF、碳基纳米材料及聚合物[9]。例如将酸改性埃洛石纳米管(NHNTs)负载于纤维素纸(CP)上，这种具有扩大内部空腔和大量羟基的隔膜，有助于实现锂的均匀分布。+并抑制锂枝晶的形成[10]。 在用于隔膜修饰的功能材料中，二维（2D）材料具有紧密覆盖、机械坚固性和丰富缺陷位点等独特优势，例如石墨烯、MoS2[11]、共价有机框架（COF）[12,13]、过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）[14]以及金属-有机框架（MOFs）[15]等。例如，共价锚定在二维COF（TpPa-SO3Li）孔壁中的磺酸基团可作为离子筛，促使锂离子均匀分布+流动并抑制锂枝晶的形成[16]。在这些研究中，二维材料通常通过聚合物刮涂或真空过滤平铺沉积在基底上，以最大化利用其高机械强度抑制枝晶的效果[17]。然而，平坦二维材料堆叠形成的曲折离子传输通道不利于锂离子传输。+输运过程，从而限制其对金属锂沉积的调控作用。因此，二维材料排列方式与调控效果之间的本构关系仍需深入研究，以最大化发挥二维材料的效用[18]。该领域中，具有垂直通道的氧化石墨烯膜因其更短且更平直的离子传输路径，展现出超快离子筛分特性[19]。另有研究表明，MoS2的气敏能力与其排列取向密切相关。2排列方式。对齐MoS2的基面2沿垂直方向的层具有低吸附能和活性位点，这显著提升了MoS2基气敏性能[20]。垂直通道促进了整个自支撑厚电极内快速的电子/离子传输，该电极由刚性Ti2垂直排列的二维异质结构（V-MXene/V5TX MXene与柔性五氧化二钒[21]的复合体系表明，具有垂直分布二维材料的隔膜可实现电子/离子的快速传输，在分离与储能等领域展现显著优势。然而，二维材料排列方式与金属锂电池隔膜中锂枝晶抑制效果之间的本构关系仍需更深入的阐释。3C2TX MXene and pliable vanadium pentoxide [21]. Consequently, membranes with vertically distributed 2D materials can fast transport electron/ion and has significant effects in fields such as separation and energy storage. However, the constitutive relationship between the arrangement of 2D materials and the effect of inhibition lithium dendrites in metal lithium battery separators needs to be elucidated in more depth. 本文构建了具有平面结构和垂直开放结构的CuBDC/PP复合膜，以系统研究二维（2D）材料空间排列对性能的影响。由于二维CuBDC金属有机框架纳米片具有强锂亲和性与高孔隙率特性，该材料能有效促进锂离子的快速传输。+隔膜中的传输特性。理论计算与实验均表明，CuBDC的空间分布结构对复合膜的基础性能（如锂离子电导率和迁移数）具有显著影响。此外，该复合膜能在锂负极表面富集更多锂离子，并促进锂的平坦沉积。水平堆叠式CuBDC隔膜（HS-CuBDC/PP，图1）相较于PP隔膜具有更少的条带状锂枝晶，展现出更为平滑的锂沉积形貌。值得注意的是，具有充分暴露活性位点及快速低曲折度离子传输通道的垂直开放式纳米片膜（VO-CuBDC/PP），可呈现更均匀的锂+分布与锂沉积形貌。这种性能优势在Li-Li对称电池和Li-S全电池体系中均得到验证。该研究为二维材料隔膜在金属电池中的应用提供了理论指导。
