摘要
随着化石能源的匮乏与环境污染问题的日益加剧，作为新一代清洁能源的锂离子电池（LIBs）发展速度迅猛。但安全事故的频发引起了大家对LIBs的质疑，造成其事故的主要原因之一是当前使用的聚烯烃隔膜存在较差的热稳定性以及易燃的特性，不利于电池安全高效地运行，所以开发新一代高性能隔膜至关重要。聚酰亚胺（PI）纳米纤维膜继承了其本身优异的力学性能、耐温性、化学稳定性、绝缘性与阻燃性且具有高孔隙率与高吸液率等优点，可作为新一代高性能LIBs隔膜的候选材料，本文在提升PI纳米纤维膜力学性能的同时对其进行功能改性提升其电化学性能，同时探究了PI纳米纤维隔膜对锂枝晶抑制的先进功能性，主要研究内容与结论如下： （1）季铵化聚苯并咪唑（PBI-TFSI）改性PI纤维隔膜的制备及其性能研究。首先制备了一种新型的PBI-TFSI材料，然后利用原位增强改性技术将PBI-TFSI粘附在PI纳米纤维表面，制备了PBI-TFSI改性PI（PI@PBI-TFSI）纤维隔膜。结果显示该复合纳米纤维隔膜具备更为优异的电解液浸润性（接触角为17.2°）、力学性能（82.82 MPa）、热稳定性、阻燃性、离子电导率（1.87 mS·cm-1）及锂离子迁移数（0.64），综合性能优于商用Celgard PP隔膜。该复合隔膜组装的扣式电池较商用隔膜在各个倍率下均表现出更高的放电比容量，在0.1 C与1 C下的放电比容量分别为163.0 mAh·g-1与125.3 mAh·g-1，且循环稳定性出色。此外，PI@PBI-TFSI隔膜的锂沉积测试表明电池在1 mA·cm-2（1 mAh·cm-2）下稳定循环600 h的过电位仅为0.27 V，且通过SEM观察到PI@PBI-TFSI隔膜对应的金属锂电极表面平整、无明显枝晶，证实了PI@PBI-TFSI隔膜具有抑制锂枝晶生长的功能。 （2）USY型沸石改性PI纤维隔膜的制备及其性能研究。首先以聚偏氟乙烯（PVDF）溶液为粘结剂，结合多孔结构的USY沸石配制为浆料，再通过真空抽滤法将USY沸石均匀粘附在PI纳米纤维膜上制得USY型沸石改性PI（PI/USY）纤维隔膜。结果显示PI/USY纤维隔膜具备优异的电解液浸润性（接触角为14.3°）、热稳定性、阻燃性、离子电导率（1.84 mS·cm-1）、锂离子迁移数（0.68）及良好的力学性能（67.35 MPa），综合性能优于商用Celgard PP隔膜。该复合隔膜组装的扣式电池展现出优异的倍率性能与循环稳定性，其在2C倍率下的放电比容量较商用隔膜高出45.3 mAh·g-1。并且复合隔膜的锂沉积测试表明电池在1 mA·cm-2 （ 1 mAh·cm-2）下稳定循环600 h的过电位仅为0.24 V，且通过SEM观察到PI/USY隔膜对应的金属锂电极表面平整、无明显枝晶，证实了PI/USY隔膜具有抑制锂枝晶生长的功能。 （3）单侧导电的非对称PI纳米纤维隔膜制备及其性能研究。首先以离子-原位交换还原法将银纳米颗粒均匀包覆在PI纳米纤维表面制得银包覆PI（PI@Ag）纳米纤维膜，然后通过原位增强改性技术将PI@Ag纤维膜粘接在PI纤维膜上制备出PI@Ag复合PI（PI/PI@Ag）纳米纤维隔膜。结果显示该复合隔膜展现出优异的浸润性（接触角为9.8°）、热稳定性、阻燃性、离子电导率（1.68 mS·cm-1）、锂离子迁移数（0.56）与优良的力学性能（50.69 MPa），综合性能优于商用Celgard PP隔膜。该隔膜组装的电池较商用隔膜表现出优异的倍率性能，在0.1 C和1 C下放电比容量为165.8 mAh·g-1和128.4 mAh·g-1，且具备良好的循环稳定性。该隔膜组装的锂/锂对称电池在锂离子剥离/沉积测试中展现出优异的稳定性，循环700 h的过电位仅为0.16 V，通过SEM观察到PI/PI@Ag隔膜对应的金属锂电极表面平整、无明显枝晶，证实了PI/PI@Ag隔膜具有抑制锂枝晶生长的功能。
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