卷对卷！10 μm超薄纤维素复合隔膜！

合肥工业大学项宏发、平炜炜通过卷对卷技术制备了一种厚度约为10 μm的纤维素复合隔膜，其内部均匀分布的Cu(OH)₂纳米簇不会发生团聚，从而将机械强度提高到约100 MPa。铜离子的配位有助于打开离子传输通道，使隔膜的离子电导率达到约2.14 mS·cm⁻¹，是已报道隔膜中的最高值之一。与聚丙烯隔膜相比，纤维素复合隔膜展现出优异的循环稳定性，并能有效抑制锂枝晶生长。对称电池Li||Li在0.5 mA·cm⁻²的电流密度下可稳定循环超过1800小时，且充放电时间为约1小时。全电池LiFePO₄||Li展现出优异的倍率性能（在5C时放电比容量为170 mA·g⁻¹）。全电LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂||Li在1C（1C = 200 mA·g⁻¹）下可维持约420个循环，比容量约为162 mA·h·g⁻¹。纤维素复合隔膜具有可扩展生产、优异的电解液润湿性和不可燃性，在高安全性和高能量密度的锂金属电池中展现出巨大潜力。该成果以“Ultrathin Cellulose Composite Separator for High-Energy Density Lithium-Ion Batteries”为题发表在“Advanced Functional Materials”期刊，第一作者平炜炜。

图1 展示了隔膜的滚压制备工艺：棉纤维溶于铜氨溶液后，经NaOH凝胶化、水洗至中性（pH=7），再通过梯度压力（0–40 MPa）压制成型（图1a）。所得柔性薄膜（图1b）内部形成均匀分布的Cu(OH)₂纳米晶须（图1c），不仅增强力学性能，其配位铜离子还拓宽了锂离子一维传输通道。

图1：a) 纤维素复合隔膜的卷对卷制备工艺。b) 逐渐增大压力压制的纤维素复合隔膜的数码照片。c) 锂离子在纤维素复合隔膜中传输的示意图。

图2揭示了压力对性能的调控机制。随压力增至40 MPa，厚度由≈50 μm降至≈10 μm（图2d），抗拉强度升至≈105 MPa（图2c）。SEM显示纤维素纤维钩连Cu(OH)₂纳米簇形成多孔结构（图2e,f），AFM测得杨氏模量达1.01 GPa（图2g），远超聚丙烯隔膜（0.38 GPa）。纳米限域效应使离子电导率跃升至≈2.14 mS cm⁻¹（图
2h），为文献报道最高值之一。

图2：a) 纤维素复合隔膜凝胶膜的数码照片，以及b) 逐渐增大压力压制的纤维素复合薄膜。c) 在0到40 MPa压力范围内压制的纤维素复合隔膜的离子电导率、厚度和机械强度。d) 纤维素复合隔膜的截面和e) 放大的扫描电子显微镜（SEM）图像。f) 限制在纤维素基体中的Cu(OH)₂纳米针和纳米簇的微观形貌。g) 原子力显微镜（AFM）表面高度和杨氏模量的测量。h) 与已报道的隔膜和纤维素复合隔膜（CCS）的离子电导率对比。

图3验证了安全性与电化学稳定性。纤维素隔膜在180℃加热30分钟后体积零收缩（聚丙烯隔膜收缩75%），且电解液润湿性极佳（接触角10秒内降为0°）（图3a,b）。Li||Li对称电池循环中极化电压稳定≈60 mV（图3c-e），循环后锂负极沉积平坦（图3f,g），XPS证实隔膜内无铜还原（图3h），表明Cu(OH)₂纳米簇可引导锂均匀沉积。

图3：a) 聚丙烯（PP）和纤维素复合隔膜（CCS）在25、120和180℃下加热30分钟的照片。b) 纤维素复合隔膜（CCS）和PP在滴加电解液后0、10和30秒的接触角。c–e) 使用纤维素复合隔膜和PP隔膜的Li||Li对称电池在室温下以0.5 mA·cm⁻²的电流密度和0.5 mA·cm⁻²的比容量进行的恒流充放电曲线。f,g) 在约80小时循环后，Li||Li对称电池中Li箔上沉积的Li的微观形貌。h) 对称电池Li||Li中纤维素复合隔膜横截面的Cu元素XPS深度分析，在约60小时循环前后。

图4 展现了全电池卓越性能：LiFePO₄||Li电池在5C倍率下容量达96.2 mAh g⁻¹，远超聚丙烯隔膜（66.9 mAh g⁻¹）（图4a）；NCM811||Li电池在1C下循环420次后容量保持率86.7%（≈162 mAh g⁻¹），平均库伦效率99.96%（图4d）。这归因于高离子电导率与枝晶抑制能力的协同作用。

图4 a) LiFePO₄||Li全电池倍率性能（0.1C–5C） b) LiFePO₄||Li全电池1C倍率循环性能与库伦效率 c) NCM811||Li全电池0.5C倍率循环性能与库伦效率 d) NCM811||Li全电池1C倍率循环性能与库伦效率

文章信息

Ultrathin Cellulose Composite Separator for High-Energy Density Lithium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials.

Ping, W., Xue, B., Zhang, F., Huang, X., Chen, L., & Xiang, H.

https://doi.org/10.1002/adfm.202509803