背景介绍
锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和优异的充放电效率，已成为现代社会不可或缺的能源存储技术，被广泛应用于消费电子、新能源汽车、可再生能源储能系统等众多领域，为推动全球向低碳经济转型发挥了关键作用，被视为现代科技和未来清洁能源发展的核心支柱。隔膜作为锂离子电池的重要组成部分之一，对电池的安全性和循环性能至关重要。然而目前商业上应用最广泛的隔膜材料多为聚烯烃基材料，由于其熔点较低，在电池温度上升时容易发生收缩和熔融，导致短路从而加剧电池的热失控，造成火灾和爆炸等严重的后果。因此，如何提升电池隔膜的综合性能，创制出兼具高热稳定性、高性能、低成本的隔膜材料对提升电池的性能和安全性具有重要的意义。
成果简介
近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队报告了一种纳米纤维素辅助分散自组装的策略，以天然生物质与纳米纤维与无机纳米纤维为原料，成功制备出一种综合性能优异的耐高温电池隔膜材料。该材料具有高孔隙率、良好的电解液亲和性、超高的离子电导率及高热稳定性，是高性能耐高温电池隔膜的理想选择。
与商用聚丙烯隔膜相比，该隔膜表现出卓越的力学性能，拉伸强度高达53 MPa，并在高应力条件下仅发生较小形变，这种优异的力学强度主要来源于自组装过程形成的高密度的氢键网络，该耐高温电池隔膜的断裂会使大量的硅酸钙纳米线和纳米纤维素纤维从互相紧密缠结双网络结构中被抽出，从而实现了对应力的分散和吸收。
同时，该团队通过精细的表面化学调控，将电解液中的阴离子锚定在膜内纳米通道表面，选择性释放出大量自由的锂离子，使其能够通过膜内丰富的互联孔隙高速传输，从而使电池的循环性能和倍率性能明显优于商用隔膜。
此外，这种结构设计还赋予了该材料高热稳定性和高尺寸稳定性，在200 ℃的高温下和-150℃的极低温下结构高度稳定，装配有该隔膜的电池在150℃的高温下仍可以正常循环，大大提升了锂离子电池的热安全性，拓展了锂离子电池在极端环境中的应用场景。
另外，如何实现这种高性能的隔膜的规模化制备以及实际场景的应用是一个巨大的挑战。该团队还依据工业化生产的模式，自主设计和搭建了该隔膜材料的连续化卷对卷生产设备，实现了耐高温电池隔膜的连续化制备，推进了该材料产业化的进程，展现出在实际应用中的巨大潜力。
上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中国高校协同创新计划、安徽省科技重大专项、中央高校基本科研业务费专项资金和安徽省重点研发计划项目等支持。
文章信息
Yang K-P, Xie S, Han Z-M, et al. A cellulose-based lithium-ion battery separator with regulated ionic transport and high thermal stability for extreme environments. Nano Research, 2025, 18(1): 94906994. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94906994.
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