孔得朋教授、平平副教授， JPS观点：阻燃纤维素基隔膜增强锂离子电池的安全性和循环稳定性

第一作者：任金永

通讯作者：孔得朋*，平平*

单位：中国石油大学（华东）

聚烯烃隔膜，作为市场上广泛使用的隔膜材料，以其卓越的电化学稳定性、适宜的孔隙结构和经济性而备受青睐。尽管如此，它们也存在一些不足之处，比如较低的孔隙率、较差的电解液润湿能力，以及在高温条件下容易发生的热收缩现象。这些缺陷不仅限制了电池的电化学性能，还可能对锂离子电池（LIBs）的安全构成潜在威胁。本文探究了近期在锂离子电池领域中，以纤维素隔膜为研究重点的进展，特别关注了阻燃型纤维素基隔膜的开发。通过对纤维素基隔膜进行热稳定性测试和微燃烧实验，我们评估了其安全性。

此外，利用电化学工作站和充放电循环仪等设备，我们深入研究了阻燃纤维素隔膜在锂离子电池中的电化学稳定性，揭示了阻燃剂和阻燃纤维素隔膜在提升电池安全性和循环稳定性方面的潜在作用机制。本文的发现为纤维素基隔膜在提升锂离子电池的安全性和循环稳定性方面提供了新的视角和可能性。

基于此，来自中国石油大学（华东）的孔得朋教授、平平副教授课题组，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“A sustainable green strategy: flame-retardant cellulose-based separators for enhancing the safety and cycle stability of lithium-ion batteries”的观点文章。该观点文章制备了阻燃纤维素基隔膜用于改善锂离子电池的安全性和循环稳定性，同时对阻燃剂及阻燃纤维素隔膜的作用机理进行探究。

图1. 阻燃纤维素基隔膜的制备，电解液湿润性和热稳定性，以及阻燃纤维素基隔膜锂电池的循环稳定性。

纤维素，作为自然界中最为丰富和广泛分布的多糖，因其卓越的生物相容性和可持续性，已在室内装饰、生物医学和航空航天等多个领域得到广泛应用。它所具有的高孔隙率、出色的电解液润湿能力以及优异的热尺寸稳定性，进一步凸显了其在LIB隔膜应用中的潜力。尽管如此，纤维素的高可燃性，其极限氧指数（LOI）大约为18%，以及较大的界面阻抗，限制了其在锂离子电池领域的应用。因此，采用阻燃和电化学改性策略来扩展纤维素在锂离子电池中的应用，成为了一条切实可行的途径。

要点二：阻燃纤维素基隔膜

得益于含磷官能团的卓越催化炭化能力，磷系阻燃剂以其高效低毒的特性脱颖而出。在纤维素的阻燃性能方面，含磷硅烷、磷酸铵盐和磷腈衍生物均展现出显著效果。尤其是六氯环三磷腈（HCCP），因其高含量的磷和氮元素，受到了研究者的极大关注。然而，在LIB的充放电循环中，由于粘附性能不足，较大的阻燃颗粒可能会从纤维素表面脱落，导致阻燃性能的丧失。此外，纤维素与电解液之间的高界面阻抗也给纤维素基隔膜在LIBs中的应用带来了挑战。

当前研究显示，以吡啶和咪唑为代表的N-杂环化合物，通过共轭作用在分子间或分子内形成π-π交叉堆叠结构，展现出优异的导电性能。但是，当这些N-杂环聚合物颗粒被用作涂层以增强纤维素隔膜的导电性时，长期电化学作用下，涂层无法抵抗电解液的塑化效应，进而引发微短路，导致LIB电化学性能的退化。因此，本研究通过自交联反应，成功将阻燃剂固定于纤维素表面，以期解决上述问题。

要点三：阻燃纤维素隔膜的安全性和阻燃纤维素基隔膜LIBs的循环稳定性

本研究开发的阻燃纤维素基隔膜展现出卓越的低可燃性，以及在高温下的出色热尺寸稳定性——在240℃下加热5分钟，隔膜未出现明显收缩。此外，该隔膜还具备高达68.4%的孔隙率和优异的润湿性，电解质的接触角仅为15.1°。应用于LIBs时，这种隔膜显著降低了界面阻抗，并提供了卓越的循环稳定性。在0.5 C的充放电条件下进行100次循环测试后，电池的容量保持率达到了97.2%，平均库伦效率高达99.2%。

要点四：前瞻

目前，关于纤维素基隔膜在LIBs中的应用和研究尚处于初级阶段，这为未来的科研工作指明了潜在的发展方向。纤维素隔膜因其较高的界面阻抗和易燃特性，直接用于LIBs会导致电化学稳定性的大幅降低，并增加火灾风险。尽管传统的阻燃改性方法能够减少纤维素隔膜的易燃性，但阻燃剂的添加往往会进一步损害纤维素基LIBs的电化学性能。N-杂环化合物，如吡啶和咪唑，由于其共轭作用形成的π-π交叉堆叠结构，展现出优异的导电性能，但在提升纤维素隔膜的阻燃性方面效果有限。因此，如何将阻燃和电化学性能提升策略有效结合，成为纤维素基隔膜应用于锂离子电池领域的关键挑战。同时，导电聚合物对纤维素隔膜的潜在影响也亟待深入研究。深入理解纤维素基隔膜在锂电应用中所面临的挑战及其解决方案，对于开发具有高安全性和优异循环稳定性的锂离子电池至关重要，这将进一步推动其在商业领域的广泛应用。

“A sustainable green strategy: flame-retardant cellulose-based separators for enhancing the safety and cycle stability of lithium-ion batteries”.

孔得朋教授简介：中国石油大学（华东）教授，博士生导师，欧盟玛丽居里学者，山东省泰山学者青年专家、山东省优青，主要从事油气及新能源（锂离子电池、氢能）安全利用的相关研究。主持包括国家自然科学基金、国家重点研发计划等纵向项目20余项。以第一/通讯作者发表SCI论文70余篇，其中ESI高被引论文9篇，ESI热点论文1篇。受邀担任SCI一区期刊eTransportation、《机械工程学报》、《中国安全科学学报》和《安全与环境学报》青年编委、IEEE PES电动汽车技术委员会动力电池系统技术分委会理事、中国职业健康安全协会防火防爆专委会委员等。