综述：天然矿物在锂离子电池隔膜中的应用进展

本综述系统总结了天然矿物（1D、2D、3D结构）在锂离子电池（LIB）隔膜中的应用进展，重点探讨了其结构特性（如孔隙率、电解质吸收、离子电导率）与电化学性能（循环稳定性、倍率性能、热安全性）的构效关系，为开发高性能、低成本、高安全性的下一代电池隔膜提供了重要指导。

　　

¹天然矿物在锂离子电池隔膜中的应用进展

锂离子电池（LIB）作为高效能源存储设备，其性能高度依赖于关键组件——隔膜。隔膜不仅需要具备良好的离子传导性和电子绝缘性，还应具有优异的机械强度、热稳定性和电解液亲和性。近年来，天然矿物因其独特的结构特性、低成本和环境友好性，被广泛用于改性商用聚烯烃隔膜（如PP、PE），以提升电池的综合性能。

²一维（1D）矿物

1D矿物主要包括纤维状或管状结构的粘土矿物，如凹凸棒石（ATP）、纤蛇纹石（CF）、海泡石和埃洛石（HNT）。这些矿物具有高长径比和丰富的表面官能团（如–OH），能有效提升隔膜的电解液吸收能力和离子电导率。

^2.1凹凸棒石（ATP）

ATP是一种含水镁铝硅酸盐矿物，具有层链状结构和纳米棒状形貌。其独特的孔隙结构可存储大量电解液，提升离子传导路径。研究表明，ATP改性隔膜在LiFePO₄/Li电池中表现出高容量保持率（100.3% after 200 cycles at 1C）和优异的热稳定性（120°C下无收缩）。

^2.2纤蛇纹石（CF）

CF是一种纤维状水合硅酸镁矿物，其卷曲的管状结构提供双Li⁺传输路径（管内和管外）。通过酸浸和Li₂SO₄处理去除表面–OH基团，可减少副反应，提升库仑效率。改性CF隔膜在5C高倍率下仍保持109.4 mAh g^?1的容量（1000次循环后容量保持率90.7%）。

^2.3海泡石

海泡石具有2:1层状结构和丰富的微孔通道，能高效吸附电解液。通过电纺丝与聚氨酯（PU）复合制备的隔膜，表现出高离子电导率（1.37 mS cm^?1）和优异的热稳定性（150°C无收缩）。在LiFePO₄/Li电池中，其容量保持率显著高于商用Celgard隔膜。

^2.4埃洛石（HNT）

HNT是一种管状结构的硅酸盐矿物，内外表面分别带正负电荷，可促进Li⁺传输。HNT涂层隔膜在Li–S电池中能有效锚定多硫化物，抑制穿梭效应。此外，HNT与细菌纤维素（BC）复合的隔膜具有高机械强度（84.4 MPa）和离子电导率（5.13 mS cm^?1）。

³二维（2D）矿物

2D矿物主要包括层状结构的硅酸盐矿物，如钠长石、迪开石、锂皂石、伊利石、高岭石、蒙脱石（MMT）和蛭石（VMT）。这些矿物的层间可嵌入水合阳离子，提供快速的Li⁺扩散通道，并通过路易斯酸位点捕获多硫化物。

^3.1蒙脱石（MMT）

MMT是一种2:1型层状硅酸盐，层间含有可交换阳离子（如Na⁺、Ca²⁺）。其负电层可降低Li⁺扩散能垒（0.155 eV）。MMT涂层隔膜在高压LiNi_0.5Mn_1.5O₄/Li电池中表现出高氧化极限和稳定的循环性能（100次循环后容量保持率96%）。

^3.2蛭石（VMT）

VMT是一种云母类矿物，层间含有水合Mg²⁺、Ca²⁺等离子。其负电表面可通过静电排斥抑制多硫化物迁移。VMT基隔膜在Li–S电池中表现出高库仑效率（90.3%）和优异的倍率性能（2C下容量601 mAh g^?1）。

⁴三维（3D）矿物

3D矿物主要包括具有多孔结构的矿物，如勃姆石、硅藻土和沸石。这些矿物具有高机械强度和热稳定性，能有效抑制枝晶生长和热失控。

^4.1勃姆石

勃姆石（AlOOH）是一种正交晶系矿物，表面富含–OH基团，可增强电解液亲和性。勃姆石封装聚酰亚胺（PI）隔膜表现出高 tensile strength（35.21 MPa）和热稳定性（250°C无收缩）。在LiFePO₄/Li电池中，其容量保持率（99% after 100 cycles）显著优于商用隔膜。

^4.2沸石

沸石是一种微孔 aluminosilicate，具有规则的孔道结构（0.3–1 nm），可选择性筛分离子。MFI型沸石涂层隔膜在Li–S电池中能有效阻挡多硫化物和Mn²⁺迁移，提升循环稳定性（100次循环后容量保持率89.5%）。

⁵性能总结与展望

天然矿物改性隔膜在提升LIB性能方面展现出巨大潜力：

• •

  ^1D矿物（如HNT、CF）具有高离子电导率（>3 mS cm^?1）和电解液吸收（>300%），但机械强度相对较低。

• •

  ^2D矿物（如MMT、VMT）在离子电导率、热稳定性和机械强度之间取得良好平衡，且成本较低（如迪开石9–30 US$ ton^?1）。

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  ^3D矿物（如勃姆石、沸石）具有最优的机械强度（tensile strength >100 MPa）和热稳定性（>250°C），但离子电导率相对较低。

未来研究方向包括：

1. 1.

   开发矿物复合涂层（如Pal/MMT），以协同提升多项性能；

2. 2.

   优化矿物纯化工艺（如酸处理、热处理），平衡纯度与成本；

3. 3.

   拓展应用至其他电池体系（如Na–S电池、液流电池）；

4. 4.

   结合仿生结构设计（如木材衍生多孔碳），开发多层次功能隔膜。

天然矿物基隔膜为实现高性能、高安全性、低成本的下一代电池提供了可行路径，尤其在大规模储能、快充电池和高安全家用储能领域具有广阔应用前景。