隨著移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，鋰離子電池的能量密度受到了很大的挑戰(zhàn)，所有人都希望能在有限的質(zhì)量和空間內(nèi)存儲(chǔ)更多的能量。由于鋰離子電池的容量限制環(huán)節(jié)主要在正極上，大部分的科研工作因此集中在了提高正極材料本身容量的上面。然而，提高傳統(tǒng)正極材料（例如Li2MnO4, LiCoO2,LiFePO4）的容量不僅工藝很復(fù)雜，而且潛力也十分有限（其理論容量也就在140 –170mAh/g左右）。
在鋰離子電池的研究中，還有另外一個(gè)經(jīng)常被忽視的重要組成部分，那就是隔膜。傳統(tǒng)鋰電池隔膜基本是由高烯烴材料通過(guò)機(jī)械拉伸工藝做成的，厚度一般在25微米左右。這層起到隔離正負(fù)極、防止短路和提供鋰離子通道的隔膜，本身不參加任何化學(xué)或電化學(xué)的反應(yīng)，因此也對(duì)電池容量沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，然而它卻占據(jù)了鋰離子電池20%左右的體積。
基于以上考慮，瑞典烏普薩拉大學(xué)（Uppsala University）的Leif Nyholm教授和Zhaohui Wang研究員課題組利用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的paper-making法成功合成了Redox-active復(fù)合鋰離子電池隔膜，創(chuàng)造性地通過(guò)將惰性的隔膜層轉(zhuǎn)化成有鋰離子存儲(chǔ)容量的導(dǎo)電高分子材料層，有效提高了鋰離子電池的能量密度。文章對(duì)此新型隔膜的制備、工作機(jī)理進(jìn)行了充分闡述和解釋?zhuān)瑢?duì)鋰離子電池隔膜的改進(jìn)提出了新的可能性，也為其他材料研究工作者提出新的思路。該文章近日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Science上。
如圖1所示，文章的核心思想就是將傳統(tǒng)的厚隔膜轉(zhuǎn)換成由一層薄的絕緣層和一層厚的活性層組成的雙層隔膜（Redox-active Separator），以此來(lái)提高鋰離子電池的容量密度。Redox-active隔膜中薄的絕緣層由納米纖維素纖維（NCFs: Nanocellulose fibers）構(gòu)成，厚的活性層由納米纖維素纖維和導(dǎo)電高分子聚吡咯（PPy: Polypyrrole）復(fù)合材料組成。在設(shè)計(jì)中，PPy層是需要對(duì)著電池正極放置的，因?yàn)楫?dāng)電池工作時(shí)，電化學(xué)活性的PPy材料能通過(guò)陰離子脫嵌機(jī)理為電池提供正極材料以外的容量（圖2）。
圖1. Redox-active隔膜設(shè)計(jì)思路示意圖
圖2. Redox-active隔膜工作原理圖
在文中，作者對(duì)redox-active隔膜的概念通過(guò)電池的充放電、倍率性能、循環(huán)伏安等測(cè)試進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。如圖3a所示，在保持正極材料和負(fù)極材料不變，只改變隔膜的情況下，使用Redox-active隔膜的電池表現(xiàn)出了超高的容量（0.28 vs. 0.15mAh），圖中的斜線部分容量是由PPy材料提供的。這一點(diǎn)在圖3b的循環(huán)伏安曲線中也能看到，由于PPy的存在，使用Redox-active隔膜的電池的氧化還原峰更加寬，面積更加大了，說(shuō)明電池的容量更加高了。在圖3c中，我們可以看到使用Redox-active隔膜的電池的倍率性能也得到了很大的提高，各個(gè)倍率下，它的容量都高于使用其他隔膜的電池。有些人會(huì)懷疑Redox-active隔膜的安全穩(wěn)定性，然而圖4c中的長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)實(shí)驗(yàn)證明，電池的安全穩(wěn)定性是可靠的。
圖3.使用不同隔膜的鋰離子電池電化學(xué)性能比較（PE：商業(yè)化polyethylene隔膜， GF：商業(yè)化玻璃纖維隔膜）。
為了更加直觀的展示Redox-active隔膜對(duì)電池容量的貢獻(xiàn)，作者對(duì)各個(gè)電池的構(gòu)造、各種隔膜的結(jié)構(gòu)示意圖、質(zhì)量比容量和體積比容量進(jìn)行了比較，結(jié)果展示在圖4中。從圖中，讀者可以清楚的看到，使用Redox-active隔膜的電池?fù)碛惺褂闷渌裟る姵責(zé)o法比擬的質(zhì)量比容量和體積比容量，特別是在商業(yè)化隔膜的厚度很大的情況下，如GF隔膜。至此，Redox-active隔膜能為鋰離子電池提供容量的功能得到了很好的論證。當(dāng)然在文中也提到，基于PPy的Redox-active隔膜設(shè)計(jì)是非常初步的，商業(yè)化應(yīng)用前景雖然很好，但是對(duì)不同的電池體系還是需要有特定的優(yōu)化，比如機(jī)械性能優(yōu)化，材料配比優(yōu)化，隔膜孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化等等。
圖4. 使用不同隔膜電池的構(gòu)造、隔膜概念性結(jié)構(gòu)、質(zhì)量比容量和體積比容量比較。
圖5. 基于PPy的Redox-active隔膜的制備工藝圖和微觀結(jié)構(gòu)圖片
基于PPy的雙層Redox-active隔膜生產(chǎn)過(guò)程如圖5a所示，該生產(chǎn)過(guò)程主要包括超聲和抽濾兩個(gè)大步驟，是真正簡(jiǎn)單有效，清潔低能耗過(guò)程。制備出來(lái)的隔膜的數(shù)碼照片，厚度測(cè)量照片和微觀結(jié)構(gòu)SEM圖片在圖5b-e中。
