基于生物材料的呋喃芳纶/陶瓷涂层的锂离子电池隔膜，通过原位锂补偿策略实现了高离子导电性、优异的润湿性能和优异的安全性

《Journal of Energy Chemistry》：Bio-based furan aramid/ceramic-coated lithium-ion battery separators with high ionic conductivity, wettability and safety via in situ lithium compensation strategy

生物基芳族酰胺隔膜通过引入可交换羧酸基团并动态锂补偿策略，结合纳米陶瓷复合，显著提升离子电导率至1.536 mS cm-1，热稳定性达150℃收缩率<1%，实现0°接触角超润湿，为高安全性锂电系统提供新方案。

　　锂离子电池（LIBs）作为现代能源存储的重要组成部分，在移动电源、无人机和储能系统等领域得到了广泛应用。其性能和安全性高度依赖于电池内部关键组件之一——隔膜的结构设计与性能特性。传统的聚烯烃隔膜虽然具有良好的机械强度和一定的电化学性能，但在提升离子传输效率和热稳定性方面仍面临诸多挑战。因此，开发一种具有更高热稳定性和离子传输效率的新型隔膜成为研究热点。

本文提出了一种基于生物材料的隔膜设计方案，即生物基呋喃芳酰胺/陶瓷隔膜（BAS）。该隔膜通过引入可交换的羧基（–COOH）并将其原位转化为–COOLi基团，构建出锂离子（Li⁺）传输通道，从而实现对活性锂的动态补偿。这一策略不仅提高了隔膜的离子导电性，还显著增强了其热稳定性。此外，BAS隔膜表现出极高的电解液润湿性，接触角接近0°，表明其在与电解液接触时具有极佳的相容性。

研究团队通过界面缩聚法成功合成了BA（生物基呋喃芳酰胺），并将其与纳米陶瓷均匀分散在水性体系中，通过涂布工艺制备出BAS隔膜。BA的极性呋喃环、酰胺键和醚键增强了其与电解液的相容性，降低了固液界面的相容性能量，从而提升了隔膜的润湿性和电解液的保持能力。实验结果显示，BAS-2隔膜在150 °C高温下仍能保持小于1%的热收缩率，显示出优异的热稳定性。同时，BAS隔膜的离子导电性达到1.536 mS cm^?1，比传统聚乙烯（PE）隔膜高出71.0%和66.4%，这表明其在离子传输方面具有显著优势。

在电池性能测试中，采用BAS隔膜的LiFePO₄|Li半电池在280次循环后仍能保持高达91.7%的容量保持率，并且库仑效率达到99%，显示出良好的循环稳定性。这些性能的提升不仅归功于BAS隔膜本身的结构优化，还与其实现的动态锂补偿机制密切相关。该机制能够有效应对锂离子在形成固态电解质界面（SEI膜）过程中造成的不可逆损失，从而维持电池内部的离子传输效率。

在当前的电池技术中，传统隔膜材料如聚烯烃在高温环境下容易发生不可逆的热变形、收缩甚至熔融，这可能导致内部短路和热失控的风险。而石油基芳酰胺隔膜虽然在机械强度和热稳定性方面表现优异，但由于其高结晶性，导致分子间氢键作用强烈，与极性电解液的相容性较差，进而影响离子传输效率和电池整体性能。相比之下，生物基芳酰胺材料不仅具备与石油基材料相当的热和机械性能，还在分子结构设计上展现出更优的特性。例如，生物基平台分子2,5-呋喃二甲酸（FDCA）具有与苯环相似的芳香杂环结构，被美国能源部称为“沉睡的巨人”，其作为可持续替代材料在芳香聚酰胺的合成中展现出巨大潜力。呋喃环中的氧原子增强了分子的极性，提高了材料的溶解性和可加工性，同时也使其与电解液溶剂的极性更为匹配，从而改善了隔膜的润湿性和电解液的保持能力。

在低温环境下，电解液的粘度会显著增加，这可能影响锂离子在电池内部的传输效率，进而导致电池性能下降。而BAS隔膜由于其高润湿性和电解液保持能力，能够在低温条件下维持良好的界面相容性，从而缓解电池性能的衰退。这种特性对于开发适用于极端环境的高安全性电池系统尤为重要。

此外，BAS隔膜的结构设计还考虑到了多尺度协同作用。BA的酰胺基团与纳米陶瓷在隔膜中形成了多尺度的结合网络，这不仅增强了隔膜的机械强度，还提高了其热稳定性。通过这种协同作用，BAS隔膜在高温下的热收缩率显著降低，进一步提升了其在极端温度条件下的安全性。

在制造工艺方面，本文采用了水性涂布技术，这种技术不仅能够实现大规模生产，还具有环保和经济高效的优势。相较于传统的隔膜制造方法，水性涂布工艺减少了对有害溶剂的依赖，降低了生产过程中的环境影响。同时，这种工艺也确保了隔膜材料的均匀分布和良好的结构完整性，为电池的稳定运行提供了保障。

通过与其他传统隔膜材料的对比分析，研究发现BAS隔膜在离子导电性和容量保持率方面均优于大多数已报道的电池隔膜材料，包括石油基芳酰胺、陶瓷和聚烯烃隔膜。这一成果不仅为锂离子电池行业提供了一种新的高性能隔膜解决方案，还为实现碳中和目标提供了潜在的路径。BAS隔膜的生物基特性使其在环境友好性方面具有明显优势，有望成为未来高安全、高能量密度电池系统的重要组成部分。

本文的研究成果表明，通过引入可交换的羧基并将其转化为–COOLi基团，可以有效提升隔膜的离子传输效率和热稳定性。这种动态补偿机制为解决锂离子电池中活性锂的损失问题提供了新的思路。同时，BAS隔膜的高润湿性和多尺度结合网络进一步增强了其在极端环境下的适用性，使其在高温和低温条件下均能保持良好的性能。

综上所述，本文提出了一种基于生物材料的新型隔膜设计方案，通过结构优化和动态补偿机制，显著提升了隔膜的离子导电性、热稳定性和电解液润湿性。这一研究不仅拓展了锂离子电池隔膜材料的范畴，还为实现高安全、高能量密度和环境友好的电池系统提供了重要的技术基础。未来，随着相关技术的进一步发展和应用，BAS隔膜有望在新能源领域发挥更大的作用，为推动绿色能源技术的发展做出贡献。