可用于高安全性锂离子电池制备的纤维素气凝胶膜

随着锂离子电池在手机、电脑以及新能源交通工具中的广泛使用，锂离子电池的安全问题越来越受到人们的重视。隔膜作为锂离子电池的重要部件，对于电池的安全性能有着重要的影响。现在使用的聚烯烃材质的电池隔膜具有强度高、化学稳定性好等优点，但是聚烯烃隔膜存在高温下易收缩、与电解液亲和性差等缺点，是造成锂离子电池安全事故的重要原因。

中国科学院化学研究所张军课题组以自然界中储量最大的纤维素为原料，以新型绿色环保的“离子液体”为溶剂，开发了通过调控再生工艺制备透明、柔性、具有可调的三维纳米孔结构和高孔隙率的纤维素气凝胶的简便方法。在此工作的基础上，最近他们利用气凝胶中三维纳米孔结构作为锂离子传输通道，成功地将纤维素气凝胶膜应用于锂离子电池，其优势如下：

▲ 纤维素气凝胶膜的制备（AmimCl为1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体）

1. 纤维素分子链上的大量羟基以及纤维素气凝胶膜纳米孔结构的毛细管效应，使纤维素气凝胶膜对有机电解液有强的亲和性，并可快速吸收大量有机电解液，吸液率可达325 %；得到的纤维素基凝胶聚合物电解质的离子电导率可达2.81 mS/cm，远高于商业隔膜；

2. 以纤维素气凝胶膜组装的锂离子电池具有优异的循环稳定性和高倍率性能；

3. 纤维素特有的耐热性赋予了纤维素基锂离子电池隔膜良好的高温稳定性，组装得到的锂离子电池在120 ℃下仍可以正常工作。

▲ 图a为典型的纤维素气凝胶膜的表面形貌，图b为其断面形貌

▲ 图a为LiFePO₄//电池隔膜//Li半电池的循环性能，图b为其倍率性能（Celgard 2400为商业的聚烯烃隔膜）

另外，三维纳米孔结构的存在有助于防止锂离子电池自放电以及短路的发生，抑制锂枝晶的形成。

因此，这种源于自然、绿色环保的纤维素气凝胶膜在高安全性、高性能锂离子电池中有着潜在的应用。

▲ 基于纤维素气凝胶膜的锂离子电池隔膜的制备，以及组装的锂离子电池的高温测试结果

参考文献：

Wan, J.Q.; Zhang, J.M.; Yu, J.; Zhang, J. Cellulose AerogelMembranes with a Tunable Nanoporous Network as a Matrix of Gel PolymerElectrolytes for Safer Lithium-Ion Batteries. ACS Applied Materials andInterface, DOI: 10.1021/acsami.7b06271.

来源：高分子科学前沿

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