摘要
锂离子电池已广泛应用于便携式电子器件和电动汽车等设备上。新能源汽车的发展对动力锂离子电池的能量密度和安全性能提出更高的要求。隔膜作为重要组成部分，对锂离子电池的性能有着显著的影响。然而，传统的聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等聚烯烃隔膜对电解液润湿性低，热稳定性差（熔点仅为120℃-135℃），严重影响电池的性能，难以满足动力电池对于高能量密度和高安全的需求。在聚烯烃隔膜上引入无机陶瓷颗粒涂层是改善隔膜热稳定性、润湿性和机械强度的有效手段。但是，目前的陶瓷涂覆隔膜却依旧存在厚度大、载量高、堵孔和抗锂枝晶性能不佳等缺点。基于上述问题，本文以高耐热的氧化铝（Al2O3）陶瓷颗粒作为涂层的主材，引入纳米纤维素（CNF）或二维蛭石纳米片以进一步改善陶瓷涂覆隔膜的电解液浸润性、耐热性和抗枝晶性能，进而改善锂离子电池的性能，具体工作如下： 1.采用刮涂法在PE隔膜表面引入Al2O3/CNF三维多孔的涂层，轻质和高电解液亲和性的CNF的引入可以降低涂层的堆积密度并提高纳米颗粒的分散度，改善隔膜对电解液的润湿性，有利于锂离子的传输；高耐热的纳米Al2O3和CNF复合涂层提升了隔膜的热稳定性。相较于纯纳米Al2O3涂覆隔膜，nA/C-PE的涂层载量下降了20.8%，隔膜透气性表征的Gurley数值减少了35.8%，nA/C-PE隔膜的透气性和电解液亲和性的提高使离子电导率由0.49mS cm-1提高到0.61mS cm-1，电解液吸液率也从271%增加至384%；nA/C-PE隔膜的耐热温度可提升至200℃。同时，CNF上丰富的氢键增强了涂层的稳定性和与PE基底的结合力，nA/C-PE隔膜的拉伸强度由130.0MPa提升至146.1MPa，拉伸断裂率由56.2%提高到79.4%。且复合隔膜在经过180℃下热处理后仍能保持20.3MPa的拉伸强度，保证了经受高温后隔膜的安全性能。得益于上述性能的改善，使用nA/C-PE隔膜与LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）正极组装的锂离子电池性能大幅提升，在2C倍率下循环200次后电池容量保持率为70.9%，远高于使用PE隔膜组装电池的54.6%的容量保持率。 2.通过真空抽滤的方式在PE膜表面构筑Al2O3纳米颗粒和蛭石二维纳米片的复合涂层，两者交错堆叠形成三明治结构，可有效提高复合涂层的机械强度。此外，二维蛭石纳米片上携带的负电荷可与电解液中的阴离子产生强相互作用，促进锂盐的解离和锂离子的均匀传输。相较于PE隔膜，Al2O3/蛭石复合隔膜（nA/V-PE）锂离子迁移数由0.43提升至0.52。nA/V-PE隔膜也具有较好的耐热性，在160℃热处理后表现出良好尺寸稳定性。得益于复合涂层三明治结构设计带来的高机械强度和高效离子传输性能，使用nA/V-PE隔膜组装的锂对称电池表现出超长的循环稳定性，在电流密度为0.5mAcm-2，限制容量为0.5mAhcm-2时可以稳定循环1300h。基于上述优点，使用nA/V-PE隔膜组装的NCM622/Li电池表现出有良好的循环性能和倍率性能。
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