核壳结构纳米纤维素 - SiO2复合多层隔膜：锂离子电池（LIBs）的绿色高性能之选

为解决传统聚烯烃隔膜的不足以及纤维素基隔膜的问题，研究人员开展多层多孔 CNF-SiO2复合隔膜用于 LIBs 的研究。结果显示该隔膜可提升 LIBs 电化学稳定性，这为 LIBs 隔膜大规模生产提供新方向。

　　

在当今时代，随着全球对可持续能源的追求愈发强烈，锂离子电池（LIBs）作为重要的能量存储系统，广泛应用于各种领域，从日常的电子设备到电动汽车。然而，LIBs 的安全和性能问题却如同隐藏在暗处的 “敌人”，严重制约着它的进一步发展。传统的聚烯烃隔膜存在诸多弊端，比如热稳定性差，在高温环境下容易收缩变形，从而引发电池短路等危险情况；而且它对电解液的浸润性也不理想，影响离子传输效率，降低电池性能。

与此同时，纤维素基材料凭借其出色的热稳定性（能在 200°C 以上保持稳定）、碳中性、天然丰富以及可生物降解等优点，成为了替代传统隔膜的热门候选者。但纤维素基材料也并非十全十美，其本身存在的一些问题就像一道道关卡，阻碍着它在 LIBs 领域的广泛应用。比如，从自然界获取的纤维素材料存在固有的不均匀性，这在对纳米结构要求极高的 LIBs 中是个大麻烦；而且纤维素纳米纤维（CNF）具有吸湿性，容易吸收水分，这不仅会导致隔膜的孔隙结构难以控制，还会在电池内部引发一系列不良的化学反应，极大地影响电池的长期稳定性和性能，尤其是在高容量应用场景中，问题更为突出。

在这样的背景下，为了突破这些困境，来自韩国相关研究机构的研究人员开启了一项意义重大的研究。他们致力于开发一种新型的多层多孔隔膜，由纤维素纳米纤维（CNF）和 SiO₂涂层组成，作为传统聚烯烃隔膜的环保替代品，用于锂离子电池（LIBs）。

研究人员在探索过程中，运用了多种关键技术方法。其中，sol-gel 合成法发挥了重要作用，通过这种方法，SiO₂纳米颗粒能够巧妙地排列在 CNF 上，形成核壳结构的 CNF-SiO₂复合材料。此外，他们采用交替顺序真空过滤技术，先过滤 CNF 悬浮液，再过滤纳米复合涂层功能层，成功制备出了无粘结剂的 CNF-SiO₂表面涂层复合隔膜，包括双层和三层隔膜。

下面来看看具体的研究结果：

• 材料特性：经过精炼处理的 CNF 悬浮液呈现出白色不透明凝胶状，分散在蒸馏水中，pH 值为 6.2 ，固体含量为 2.1%，粘度达 15400 cPs。通过动态光散射（DLS）测量，发现分散在水中的聚集 CNF 链的平均流体动力学半径为 795.2 nm ± 168 nm，zeta 电位为 - 25.29 ± 3 mV，这表明 CNF 悬浮液具有一定的静电稳定性。
• 隔膜性能：研究发现，CNF 的缠结结构就像一个精密的模具，决定了 CNF-SiO₂隔膜的孔隙结构，同时还能精准地调整隔膜内孔隙和纤维的尺寸分布，优化锂离子传输路径。将核壳结构的 CNF-SiO₂纳米复合材料作为功能层与 CNF 隔膜相结合后，多层隔膜展现出了强大的优势。它能够有效抑制电解液分解和锂金属表面枝晶生长，显著提升了 LIBs 的电化学稳定性。在与传统聚乙烯（PE）隔膜和纯 CNF 隔膜的对比实验中，这种新型隔膜表现出更优异的电化学性能和稳定性，电池的比容量与商业隔膜相当，充分展示了其潜在的应用价值。

综合来看，这项研究取得了丰硕的成果。研究人员成功设计出了具有无机表面涂层的生物质基隔膜，且采用了无粘结剂的设计策略。这种隔膜在高电压 LIBs 中表现出与商业隔膜相媲美的优异电化学性能。核壳结构的 CNF-SiO₂纳米复合材料并非仅仅作为一种被动的隔膜存在，它在电池循环过程中积极发挥作用，有效减轻了枝晶生长和电解液分解等有害反应。该研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上，为锂离子电池隔膜的发展开辟了新的道路。它不仅简化了材料的采购和生产流程，有利于大规模制造，还为利用生物质来源的碳水化合物前体制备高性能储能隔膜提供了新的思路，有望推动锂离子电池在可持续发展道路上迈出坚实的一步，为未来能源存储领域的发展注入新的活力。