商業(yè)化鋰離子電池的容量受限于正極材料的理論容量。目前，研究人員主要通過開發(fā)新型正極材料和改良電極工程技術(shù)來提高電池的充放電容量，很少有研究關(guān)注在通過改善電池中電極材料之外的部分來改善電池的容量。隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，它直接影響著鋰離子電池的使用壽命、安全性、能量密度和功率密度。商業(yè)化鋰離子電池隔膜通常是由聚烯烴制備而成，其電解液浸潤(rùn)性較差和熱穩(wěn)定性不佳。

　　可再生，價(jià)格低廉的纖維素隔膜具有親水性好，結(jié)構(gòu)可調(diào)和高柔性，熱穩(wěn)定性高和生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)今，對(duì)于纖維素基隔膜的研究工作主要集中在開發(fā)具有良好電解液浸潤(rùn)性的安全隔膜上，對(duì)于制備化學(xué)功能化同時(shí)能提高電池容量的纖維素基隔膜的研究少之又少。需要指明地是，傳統(tǒng)商業(yè)化隔膜和其改性隔膜在單體電池中占到15－20％左右的體積，在理論上可以通過減少隔膜的厚度來相應(yīng)增加其它活性材料的體積從而提高電池容量。但是至今為止還沒有可靠的方法來制備超薄的隔膜，同時(shí)保持電池隔膜的必要的重要的特性。

　　【成果簡(jiǎn)介】

　　近日，瑞典烏普薩拉大學(xué)汪朝暉資深研究員和LeifNyholm（共同通訊作者）等人在AdvancedScience上發(fā)表了一篇題為“Redox－ActiveSeparatorsforLithium－IonBatteries”的研究成果。本工作中，該研究團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)單的造紙工藝制備得由納米纖維素纖維（NCFs）和聚吡咯（PPy）復(fù)合材料組成的柔性介孔氧化還原活性隔膜。該氧化還原活性隔膜具有雙層結(jié)構(gòu)，其中一側(cè)為約3μm厚的絕緣NCF層，另一側(cè)則由厚度可調(diào)的氧化還原活性的PPy／NCF復(fù)合層組成。其中，NCF層起到電極之間的主要絕緣作用，氧化還原活性的PPy／NCF復(fù)合層可為NCF層提供機(jī)械支撐，同時(shí)為鋰離子電池提供額外的容量。該研究團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，就熱穩(wěn)定性和電解質(zhì)潤(rùn)濕性而言，柔性氧化還原活性隔膜比商業(yè)聚乙烯隔膜（PE）存在著顯著的優(yōu)勢(shì)；氧化還原活性隔膜在概念驗(yàn)證電池的循環(huán)過程中并未觀察到短路的現(xiàn)象，并且由于含PPy層的存在，電池的容量存在著明顯的增加。在概念電池中，當(dāng)LiFePO4（LFP）為正極，采用氧化還原活性隔膜的鋰離子電池可以表現(xiàn)出67μAhcm－3／81mAhg－1的容量，較采用傳統(tǒng)隔膜的鋰離子電池所獲得的容量更高（以隔膜與正極總體積／重量基礎(chǔ)）。這表明，使用氧化還原活性隔膜通過替換隔膜的方法可以為增加傳統(tǒng)鋰離子電池容量提供了一種新方法。

　　【圖文導(dǎo)讀】

　　圖一a）傳統(tǒng)隔膜，b）氧化還原活性隔膜的側(cè)邊示意圖

　　電化學(xué)活性隔膜增加鋰離子電池容量

　　注釋：淺綠色區(qū)域：絕緣材料；淺灰色區(qū)域：氧化還原活性組分

　　設(shè)計(jì)思路：通過將薄的絕緣層與由導(dǎo)電的氧化還原性材料組成的多孔支撐層相結(jié)合，從而獲得具有類似于常規(guī)隔膜的厚度的柔性氧化還原活性隔膜，不僅可以保證電池的安全運(yùn)行，同時(shí)可以增加電池的容量。

　　圖二氧化還原活性隔膜的制備和形態(tài)特征

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　　a）氧化還原活性隔膜的制備過程示意圖；

　　b）柔性氧化還原活性隔膜的照片；

　　c）NCF層的SEM圖；

　　d）含PPy層的SEM圖；

　　e）撕裂的氧化還原活性隔膜的SEM圖。

　　圖三不同膜的孔結(jié)構(gòu)

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　　NCF基隔膜，氧化還原活性隔膜，PPy＠NCFs復(fù)合膜：a）孔徑分布；b）累積孔體積。

　　圖四熱穩(wěn)定性和電解液潤(rùn)濕性測(cè)試

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　　a）升高溫度的條件下，PE隔膜（上圖）和氧化還原活性隔膜（下圖）的熱穩(wěn)定性測(cè)試（左圖：熱處理之前；右圖：熱處理之后）；

　　b）PE隔膜和氧化還原活性隔膜的電解液潤(rùn)濕性測(cè)試（左圖：滴加電解液之前；右圖：滴加電解液之后）。

　　圖五由LiFePO4為正極，Li為負(fù)極與不同隔膜組成電池的電化學(xué)性能

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　　a）0．2C速率下的充電／放電曲線；

　　b）掃描速率為0．2mVs－1時(shí)的循環(huán)伏安曲線；

　　c）倍率性能；

　　d）CellI的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　注釋：1、氧化還原活性隔膜，NCF隔膜，PE隔膜和GF隔膜的厚度分別是10，10，25和255μm；2、CellI：LFP為正極，Li為負(fù)極，氧化還原活性隔膜的含PPy層與LFP正極接觸；3、GF隔膜：玻璃纖維隔膜

　　圖六容量增加機(jī)理和不同隔膜時(shí)其重量容量／體積容量對(duì)比

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　　a）含有氧化還原活性隔膜的LFP／Li電池的示意圖（隔膜的NCFs與Li負(fù)極直接接觸）；

　　b）不同隔膜和正極時(shí)，其重量／體積與不同LFP／Li電池重量容量／體積容量對(duì)比圖。

　　圖七以PE為隔膜（LFP－PPy）／Li電池和含有氧化還原活性隔膜的CellI電池的重量容量對(duì)比

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　　【小結(jié)】

　　本工作提出了一種通過引入多孔氧化還原活性層得到雙層纖維素基隔膜的設(shè)計(jì)方法，可用以提高鋰離子電池的電化學(xué)性能。由于氧化還原活性隔膜可以提供額外的容量，當(dāng)用氧化還原活性隔膜替代傳統(tǒng)商業(yè)化隔膜時(shí)，以LiFePO4為正極，以Li為負(fù)極的鋰離子電池其容量將從0．16mAh增加至0．276mAh。作者指出后續(xù)工作可以通過改善電活性層的厚度和電活性材料組成來提高更多容量。通過氧化還原活性隔膜來增加其電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為發(fā)展高能量密度薄膜鋰離子電池和其他電子產(chǎn)品提供了一種新的思路。