DOI:10.1016/j.cej.2021.133934

聚酰亚胺（PI）膜具有优异的耐化学性、绝缘性和自熄性，作为锂离子电池（LIBs）隔膜受到了广泛的关注，但其机械强度低、电解液亲和力差的问题仍然存在。在此，研究者通过静电纺丝、亚胺化和碱水解制备了一种新型环保氢键（H键）交联纤维素/羧基化PI（Cellulose/PI-COOH）纳米纤维复合隔膜。除了继承了原始PI隔膜的高孔隙率以吸收电解液外，H键交联产生的三维互连结构有利于提高复合隔膜的机械性能，从而提供34.2MPa的拉伸强度,比原始PI隔膜（6.8MPa）高5倍。同时，纤维素上暴露的羟基以及羧基化PI上的羧基和亚氨基也可以增强纤维素/PI-COOH隔膜的电解质亲和力和润湿性，这在提高离子电导率（0.51mS/cm）和拓宽电化学稳定性窗口（约5.1V）方面起到重要作用。因此，与聚丙烯隔膜和PI隔膜相比，氢键交联纤维素/PI-COOH隔膜在磷酸铁锂（LiFePO4）和钴酸锂（LiCoO2）半电池中表现出更好的循环性能和倍率性能。例如，基于纤维素/PI-COOH的LiFePO4半电池的最高初始放电容量为166.2mAh/g，容量保持率为90%，远高于原始PI基LiFePO4半电池（114.6mAh/g，86%）。此外，据信纤维素/PI-COOH隔膜显著增强的拉伸强度、柔性、热稳定性和阻燃性大大提高了所获得LIBs的安全性能。

图1.氢键交联纤维素/PI-COOH复合隔膜的制备工艺

图2.（a）CA、PI、CA/PAA、CA/PI和纤维素/PI-COOH的FT-IR光谱；（b）PP、（c）PI和（d）纤维素/PI-COOH的SEM图像（插图显示相应的高倍放大图像）；（e）PI和（f）纤维素/PI-COOH纳米纤维的直径分布

图3.（a）PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜的应力-应变曲线，（b）应力-应变曲线（电解液浸泡1个月后），（c）抗皱试验，（d）电解液稳定性测试和（e）相应的FT-IR测试

图4.（a）PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜在200℃下加热30分钟前后的数码照片；（b）阻燃性能测试；（c）隔膜的TMA曲线；（d）PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜的TG曲线和（e）DSC曲线

图5.（a）PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜的电解质吸收和（b）电解质保留；（c）PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜与液体电解质的接触角；（d）PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜的电解液浸没高度；（e）电解液在PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜上的滴落实验

图6.（a）使用PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜的“SS/隔膜/SS”电池和（b）“Li/隔膜/Li”电池的奈奎斯特图；（c,d）纤维素/PI-COOH复合隔膜与电解液的相互作用机制；（e）电解质润湿性对锂离子在隔膜上迁移的影响示意图

图7.（a）使用PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜的“LiFePO4/隔膜/Li”电池的循环测试和1C下的库仑效率以及（b）倍率性能测试；（c）使用PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜的“LiCoO2/隔膜/Li”电池的循环测试和1C下的库仑效率以及（d）倍率性能测试；（e）使用PP、PI和纤维素/PI-COOH隔膜的“LiFePO4/隔膜/Li”电池在1C、高温下的循环测试；（f）PP和纤维素/PI-COOH隔膜的锂离子传输途径