王华教授和陈科副教授团队 受牙釉质启发的耐热、高机械强度羟基磷灰石/聚乙烯纳米复合电池隔膜

聚乙烯（PE）类隔膜是具有代表性的，被广泛商业化应用的锂离子膜电池隔膜。然而，由于较低的熔点（~135℃），电解液润湿性差等弊端，容易产生热尺寸收缩、与锂金属负极相容性差，加剧锂枝晶产生并最终被枝晶刺穿等问题。这些现象会引起电池的内部短路、热失控甚至是爆炸等严重安全性问题。无机陶瓷改性材料具有热稳定性、电解液润湿性等天热优势，但传统的无机材料改性涂层方法因涂层颗粒与惰性高分子PE基底之间的杨氏模量不匹配性、界面结合力弱等原因，在实际应用过程中尤其是在电解液不断的浸泡的使用场景下，容易产生“掉渣”现象，进而引发改性涂层的失效，诱发安全性问题。

近期，王华教授和陈科副教授团队，受天然牙釉质有序微纳结构与有机-无机结合界面构筑方式启发，采用原位仿生矿化生长制备方法结合热后处理的方式，制备了大规模连续、3D交织的羟基磷灰石（HAP）纳米片阵列增强PE隔膜（图1）。创新的设计理念及制备方式，使得无机-有机复合材料具有优异的力学性能及热尺寸稳定性能。其中，120℃ 热处理后的纳米复合材料具有优异的断裂应力，超高断裂韧性（≈434.4 MJ m⁻³），显著提升的摩擦系数（≈0.69），明显优于商用PE隔膜，并远超已报道的陶瓷改性PE隔膜。而在180℃热处理温度下，所得纳米复合材料可达到超凡的伸长率（≈2456.4%），且无任何断裂。

此外，采用微纳米平台所搭建的原位分析手段结合有限元模拟揭示了基于HAP与PE有机-无机互锁界面以及3D交织HAP阵列微纳结构界面相互协同的高效耗能增强机制（图2），HAP-PE有机无机杂化材料获得显著增强的机械性能及热尺寸稳定性。首先，交织的HAP纳米片阵列通过热处理后部分内嵌在PE基底内，形成增强的物理互锁有机-无机杂化界面，使得裂纹初始阶段更容易发生在HAP纳米片阵列和PE之间的界面上，因为当整个材料发生变形时，沿着界面裂纹处具有更高的能量消耗。其次，随着应变的增加，交织的HAP陶瓷纳米片阵列的结构会变形，甚至破裂，导致裂纹偏转和扭曲。最后，在断裂过程中，HAP纳米片碎片被拔出，桥接材料的断裂表面。同时，这种通过产生曲折和偏转的裂纹传播路径阻止材料进一步破坏，是天然材料和一些受生物启发的仿生结构材料最主要的外在增韧机制之一。

最后，基于优异的热机械性能与尺寸稳定性，该复合材料隔膜被应用于不同温度下的Li/LiFePO4半电池，Li/Li对称电池中，显示出优越的电化学稳定性、复合隔膜结构与界面稳定性以及对锂枝晶的显著抑制效果。初步的电化学试验显示仿牙釉纳米复合隔膜可以潜在地应用于更安全的高温锂离子电池，该有机-无机界面复合策略为开发其他高性能聚合物基纳米复合材料提供了重要的参考价值。

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