摘要
以锂金属为负极的锂电池凭借3860Ah/kg的高比能量，成为各方瞩目的研究热点，但是也为电池内部其他材料带来更加严峻的挑战。尤其对使用多孔隔膜-电解液体系的液态锂电池而言，不均匀的电化学沉积常常导致严重的电极界面问题。为了满足实际应用需求，提出两种解决方案：一是对隔膜多孔结构进行设计，改善液态锂电池电极的界面沉积行为；二是将凝胶电解质作为隔膜，使用半固态锂电池替代传统的液态锂电池。 纤维素是储量最为丰富的天然聚合物，不仅具有可再生、可降解的环保属性，同时也表现出良好的电解液亲和性和热稳定性。本文以纤维素为原材料，通过不同的工艺方法调控多孔隔膜和凝胶隔膜的微结构，以解决电池的界面问题，主要工作包含以下内容： （1）液态锂电池微/纳混合纤维素隔膜结构及性能调控 将MCC（微米纤维素）和NCC（纳米纤维素）按照不同比例混合，制备孔隙结构可调的混合纤维素隔膜。实验结果表明：NCC越多，隔膜的孔隙数量越少，结构愈加致密。相应的，隔膜拉伸强度增加，导电性能下降。因此，二者合适的配比有助于平衡隔膜机械性能和电化学性能。 （2）具有多尺度孔隙结构的液态锂电池纳米纤维素隔膜 在混合纤维素隔膜中，MCC过于粗大的纤维尺寸导致隔膜的孔隙分布不平衡，严重影响电极表面的Li+通量分布。针对以上问题，使用纳米纤维素为原料制造多孔隔膜。结合溶剂置换和模板蚀刻法，制备出一种多尺度微孔结构的液态锂电池隔膜（MEPS）。MEPS兼具高孔隙率和低曲折度，电化学性能得到显著改善。 （3）液态锂电池纤维素隔膜微结构与界面性能的关系 利用纤维素的尺寸效应和模板蚀刻工艺，对隔膜的孔隙特征进行参数化调节。通过对实验和数值模拟的方法，揭示了孔隙尺寸对锂枝晶的调节机制。然后根据孔隙率对隔膜电压极化曲线和力学强度的影响，得到结论，孔隙率应存在合理区间，过大很容易导致隔膜被锂枝晶刺穿，影响电池安全性。 （4）半固态锂电池纤维素凝胶电解质隔膜的制备和离子传导过程的研究 在液态锂电池中，Li+只能通过隔膜孔隙结构在电极表面发生电化学反应，因此常常导致不均匀锂沉积。同时，电解液存在漏液、易燃等潜在危险。而适用于半固态锂电池的凝胶电解质隔膜，有望解决以上问题。首先制备出具有自支撑特性的交联纤维素凝胶隔膜，然后根据实验测得的物性参数，在分子尺度构建出纤维素凝胶隔膜的无定型单元。在此模型基础上，探索凝胶隔膜离子传导能力与溶胀率的关系。 （5）半固态锂电池纤维素凝胶电解质隔膜结构设计和性能优化 首先解释了醚类纤维素和交联纤维素隔膜界面相容性较差的原因。然后针对两种凝胶隔膜各自存在的问题，分别提出纳米纤维增强型复合凝胶隔膜和双网络凝胶隔膜。对于前者，纳米纤维可以提高隔膜基体在电解液中的结构稳定性，进而改善对电极的界面相容性。对于后者，依靠双聚合物网络的协同作用，隔膜表现出极低的界面阻抗。
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