高连通性孔结构纸基复合隔膜协同氧化铝表面涂层提升锂离子电池快充性能

为突破商用聚烯烃隔膜在快充锂离子电池(LIBs)中的性能瓶颈，广西大学团队创新性地采用蔗渣浆/Al2 O3 纳米颗粒共混造纸与PVDF-HFP反向涂覆技术，构建出具有8个平均喉道连接数的高连通孔结构隔膜。该设计使电池在10 C倍率下实现101 mAh g-1 初始放电容量及2000次循环后88%的容量保持率，为快充LIBs隔膜开发提供了新范式。

　　

随着电动汽车和便携式电子设备的迅猛发展，锂离子电池(LIBs)的快充性能已成为制约其市场拓展的关键因素。然而，传统聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)隔膜因电解液浸润性差、孔隙率低等缺陷，在高倍率充放电时易引发锂离子(Li⁺
)浓度极化，导致容量快速衰减甚至锂枝晶生长。更棘手的是，现有纸基隔膜虽具有优良的电解液亲和性，但其微米级孔隙结构可能引发电池短路，而单纯缩小孔径又会影响离子传输效率。这种"孔径-安全-传导"的三角矛盾，成为阻碍快充LIBs发展的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，广西大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将蔗渣浆纤维与Al₂
O₃
纳米颗粒共混造纸，再通过聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)反向涂覆，成功制备出具有高度连通孔结构的复合隔膜(CAP)。这种"一石三鸟"的设计策略：利用Al₂
O₃
削弱纤维间氢键增加孔隙率，纳米颗粒表面修饰引导均匀锂沉积，PVDF-HFP涂层则固定颗粒并优化孔道结构。

研究团队采用多尺度X射线纳米计算机断层扫描(nano-CT)技术精确量化了隔膜的拓扑特征，发现每个孔隙平均被8个喉道连通，孔喉比达2.32，形状因子低至0.0084(孔)和0.0328(喉)。这种类似"八爪鱼"的立体网络结构，使电解液能像"高速公路网"般快速传输Li⁺
。电化学测试显示，CAP隔膜组装的电池在10 C(6分钟充满)的超高倍率下，仍能保持101 mAh g^-1
的放电容量，2000次循环后容量保持率高达88%，远超传统聚烯烃隔膜和普通纸基隔膜性能。

在材料制备方面，研究首先通过湿法造纸工艺将20/300 nm双尺度Al₂
O₃
颗粒与蔗渣浆共混成型，随后采用相转化法进行PVDF-HFP反向涂覆。结构表征除nano-CT外，还结合了扫描电镜(SEM)和孔隙率分析。电化学性能测试包括循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)及长循环测试，并采用锂片对称电池评估锂沉积行为。

材料与设计策略
通过调控Al₂
O₃
添加量(最高达浆料固含量的30%)，有效打破纤维间氢键网络，使孔隙率提升至68%。反向涂覆工艺使PVDF-HFP主要分布在纤维交叉点，既固定纳米颗粒又不完全堵塞孔道，形成"点焊式"三维导通网络。

孔结构特征
nano-CT三维重建显示，CAP隔膜的孔隙形状因子(0.0084)远低于传统隔膜，表明其孔道更接近理想圆形；喉道形状因子(0.0328)反映连接通道呈现规则狭缝状，这种各向同性结构有利于缓解高倍率下的离子浓度梯度。

电化学性能
在1 M LiPF₆
电解液中，CAP隔膜的接触角仅为18°，电解液吸收量达480%。组装的LiFePO₄
/石墨全电池在5 C下展现114.5 mAh g^-1
的初始容量，550次循环后保持87.6%，且极化电压增长幅度比商用隔膜低62%。

机理分析
过量的Al₂
O₃
纳米颗粒在纤维表面形成"纳米级凸起"，不仅增加成核位点引导均匀锂沉积，其介电特性(ε=9)还能促进LiPF₆
解离。PVDF-HFP涂层则通过-CF₂
-基团与电解液的相互作用，形成稳定的固液界面层。

这项研究开创性地将造纸工艺与纳米技术相结合，提出的"高连通孔结构+表面纳米工程"双效策略，为开发下一代快充电池隔膜提供了全新思路。特别是采用廉价生物质原料和可规模化生产的湿法工艺，使该技术具有显著的产业化前景。研究揭示的孔喉拓扑结构与离子传输效率的定量关系，更为多孔功能材料设计提供了重要理论参考。未来通过优化Al₂
O₃
粒径分布和涂层聚合物组分，有望进一步突破LIBs在极端快充条件下的性能极限。