海藻纤维基锂离子电池隔膜改性方法研究.pdfVIP

摘要

锂离子电池（LIBs）是最潜在的能量储存形式之一，各种可充电电池都具有高

能量密度、长循环寿命和低自放电的优异性能。作为LIBs的主要组件之一，隔膜对

LIBs的安全性至关重要。满足高性能、高安全要求的电池，隔膜必须具有良好的电

解质润湿性、耐热性、机械强度、高孔隙度结构和离子电导率。本研究中，以海藻

酸钙纤维为基础材料，采用了包括化学改性和物理改性在内的三种隔膜改性方法，

制备了绿色环保，耐高温的锂离子电池隔膜。

（1）首先，以海藻酸钙纤维（CA）和纤维素纤维（CF）为原料，通过简易造

纸工艺制备了一种绿色、耐热的复合隔膜。纤维素纤维与海藻酸钙纤维，形成多层

次的孔隙结构。然后利用硼酸盐对这复合隔膜进行化学交联改性，以改善复合隔膜

（简称CA-CF@B隔膜）的综合性能。由于海藻酸钙和纤维素分子链上的多层次孔

结构和大量的极性基团，该隔膜表现出优异的电解液润湿性。与聚丙烯隔膜相比，

CA-CF@B隔膜具有较高的锂离子迁移数（tLi+=0.40）和较高的离子电导率（σ=1.53

mScm-1），表明锂离子的传输速度较快。此外，利用改性的复合隔膜组装的电池在

高温（140°C）下表现出良好的安全性。在40°C的土壤中该隔膜可以在大约10天

内完全降解，这表明其在自然环境中具有良好的降解性。

（2）海藻酸钙纤维具有阻燃的优良特性，氮化硼（BN）具有蜂窝状的特殊晶体

结构，可以形成大量的导热通道，具有优异的导热性和较高的硬度。所以，本研究

中将海藻酸钙纤维与氮化硼相结合，利用造纸工艺和涂覆改性方法制作出CA@BN

复合隔膜。该隔膜改善了纯海藻酸钙纤维电池隔膜大孔隙的缺点，并具有较高的机

械强度和热稳定性。该复合隔膜可以增强锂离子的扩散能力并获得均匀的离子沉积

界面（σ=2.80mScm-1，tLi+=0.55），从而抑制了锂枝晶的生长，使电池即使在高温

下也能实现稳定的充放电循环（在60°C下稳定循环1,000圈）。

（3）以海藻酸钙纤维和玻璃纤维（GNFs）为原料，通过共混的方式制备了一种

多尺度纤维共混的纤维复合隔膜，与纯海藻酸钙纤维隔膜相比，GNFs纤维的加入，

填充了CA隔膜的大孔隙，提供了多条离子传输通道，又由于隔膜优异的电解液润

湿性和致密的纤维网络结构，隔膜储存电解液的能力增加，从而提高了电池的离子

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传输能力（4.8×10Scm）。以改性隔膜组装的LFP电池在1C的电流密度下可稳

定循环，大大提升了电池的循环稳定性。

关键词：海藻纤维；电池隔膜；锂离子电池

Abstract

Lithium-ionbatteries(LIBs)representoneofthemostpromisingformsofenergy

storage.Avarietyofrechargeablebatteriesofferexcellentperformanceintermsofhigh

energydensity,longcyclelifeandlowself-discharge.Asoneofthemaincomponentsof

LIBs,theseparatorplaysacriticalroleinensuringthesafetyofLIBs.Inordertomeetthe

highperformanceandsafetyrequirementsofbatteries,theseparatormustexhibitgood

electrolytewettability,heatresistance,mechanicalstrength,ahighporositystructureand

ionicconductivity.Inthisstudy,greenandheat-resistantlithium-ionbatteryseparators

werepreparedusingcalciumalgi