综述：黏土矿物基复合隔膜的特性、合成及其在锂离子电池和锂硫电池中的应用与性能增强机制

本综述系统探讨了黏土矿物（如蒙脱土、埃洛石等）在锂离子电池（LIBs）和锂硫电池（Li–S）隔膜改性中的应用潜力。重点分析了其独特结构（层状/棒状/管状）、高比表面积、优异化学稳定性及成本效益，并详细阐述了性能增强机制（如抑制多硫化物穿梭效应、提升热稳定性及离子传输效率），为下一代高能量密度、高安全性电池系统提供了创新研究方向。

　　

黏土矿物基复合隔膜：从结构特性到电池性能增强机制

引言

锂离子电池（LIBs）和锂硫电池（Li–S）因其高能量密度等优势，在能源存储领域广泛应用。隔膜作为电池中不可或缺的“安全卫士”和“离子通道”，其性能直接决定电池的能量密度、循环寿命及安全性。随着电池技术向高能量密度和高安全性方向发展，对隔膜材料的要求日益严格，黏土矿物（如蒙脱石（Mt）、蛭石（VN）、凹凸棒石（Pal）、海泡石（Sep）、埃洛石（HNT）和高岭石（Kaol））因其独特的层状/棒状/管状结构、高比表面积、优异化学稳定性及低成本，在隔膜改性中展现出巨大潜力。

黏土矿物的结构

黏土矿物属于层状或链层状硅酸盐矿物，其晶体结构主要由硅氧四面体层和金属氧（如铝氧、镁氧）八面体层通过共享氧原子连接而成。层状结构可进一步分为1:1型（如高岭石）或2:1型（如蒙脱石），其中2:1型结构具有层间可交换阳离子，赋予其离子交换能力。管状（如埃洛石）或棒状（如海泡石）结构则提供了独特的传输通道和吸附位点。

黏土矿物基隔膜的制备方法

常见的制备方法包括真空过滤、相转化、涂覆和静电纺丝等。这些方法通过将黏土矿物与聚合物基体（如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP））复合，形成具有多孔结构的隔膜。制备方法的选择需根据黏土矿物的形态特性（如层状矿物适合涂覆法，管状矿物适合静电纺丝）进行优化，以平衡隔膜的机械强度、孔隙率和离子电导率。

在电池隔膜中的应用

黏土矿物基隔膜在LIBs和Li–S中均表现出显著性能提升。在LIBs中，其高热稳定性（如蒙脱石改性隔膜可耐受高温>200°C）有效抑制热失控，提升电池安全性；同时，表面羟基和负电荷特性增强电解质润湿性，促进锂离子传输。在Li–S中，黏土矿物（如海泡石的Lewis酸位点）通过化学吸附多硫化物（Li₂S_x），有效缓解穿梭效应，提高硫利用率和循环稳定性。

性能增强机制

黏土矿物的增强机制主要源于其结构、组成和化学特性：

1. 1.
   结构特性：层状或管状结构提供锂离子传输路径，高比表面积增加活性位点，提升吸附能力（如对多硫化物的物理捕获）。
2. 2.
   表面化学：负电性表面（如蒙脱石）或Lewis酸位点（如海泡石）通过静电相互作用或化学键合吸附多硫化物，抑制穿梭效应。
3. 3.
   热稳定性：黏土矿物的无机骨架增强隔膜的热稳定性，防止高温下收缩或熔融，提升电池安全性。
4. 4.
   离子传输效率：表面改性（如羟基化）改善电解质亲和性，降低界面阻抗，提高离子电导率。

总结与展望

黏土矿物在电池隔膜改性中展现出广阔前景，但其应用仍面临挑战，如规模化制备的工艺复杂性、长期循环中的结构稳定性以及不同黏土矿物性能的差异化问题。未来研究需聚焦于精准调控矿物结构（如纳米片层剥离）、开发绿色改性方法，并探索其在固态电池中的集成应用。通过多学科交叉创新，黏土矿物基隔膜有望推动下一代高能量密度、高安全性电池技术的发展。