近日，轻工学部师生在《Chemical Engineering Journal》(中科院一区，TOP期刊，IF=15.1)和《composite part B：engineering》(中科院一区，TOP期刊，IF=13.1)上，发表了关于锂离子电池隔膜材料方面的研究成果“Electrospun of polyvinyl alcohol composite hydrogel nanofibers prepared by in-situ polymerization: A novel approach to fabricate hydrogel nanofiber membrane for lithium-ion batteries”和“Utilizing methacrylated lignin as a sustainable macro-crosslinker for synthesizing innovative PVA/AMPS composites crosslinked hydrogel nanofibers: A potential application for lithium-ion battery separators”。轻工学部2022级研究生窦云为文章的第一作者，王守娟教授、Magdi教授和孔凡功教授为文章的通讯作者。
近年来，锂离子电池（LIBs）由于其高安全性、高容量密度和优越的长循环寿命，被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车中。在商业上，锂离子电池隔膜通常由聚烯烃材料制成，如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和其他石油基材料。虽然商用隔膜具有良好的成本效益和稳定的电化学性能，但也存在不可忽视的缺点，比如孔隙率低，电解质吸收能力和润湿性差等。而且，商业隔膜在高温下通常会发生显著的收缩和变形，带来安全隐患。
图1. 水凝胶纳米纤维膜(PDs)的制备过程示意图
图2. (a) LMA制备过程; (b) GMA、Lignin和LMA的FTIR光谱;(c, d)木质素和LMA的1H-NMR光谱
图3.纳米纤维隔膜的倍率性能和循环性能
团队通过将光聚合与静电纺丝工艺相结合，介绍了一种新颖的纳米纤维膜的制备方法，合成了由聚乙烯醇（PVA）和N、N-二甲基丙烯酰胺（DMAAm）组成的交联水凝胶纳米纤维膜（PDs）。为了解决现有电池隔膜的关键缺陷，团队通过加热干燥（PD12-HD）和冷冻干燥（PD12-FD）两种方法严格控制PDs水凝胶纳米纤维膜的孔隙率，并对比了这两种方法对纳米纤维膜的形貌特征、机械性能、热稳定性和电化学性能的影响。与此同时，为了进一步提高隔膜的力学性能，团队在此基础上做了进一步改进，提出了一种利用甲基丙烯酸木质素（LMA）作为生物基大分子交联剂，制备含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）和聚乙烯醇（PVA）的复合水凝胶纳米纤维膜的简便方法。首先，通过酯化反应将甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）接枝到木质素上合成LMA。然后，将含有不同比例LMA与PVA/AMPS的溶液进行静电纺丝，单体与交联剂之间通过自由基共聚和酯化反应进行聚合，合成具有交联网络结构的水凝胶纳米纤维膜（PVA/AMPS-LMA）。此外，团队还对比了生物基大分子交联剂LMA与传统小分子交联剂N,N’-二甲基二丙烯酰胺（MBA），评估了这两种交联剂对隔膜形貌特征、力学性能、热稳定性、电解液润湿性和电化学性能的影响，证明了LMA作为交联剂可以显著提高隔膜的性能。结果表明，这种木质素基的水凝胶纳米纤维膜具有制备简单、纤维和孔隙结构可控、电化学性能优异和安全性能稳定等理想的特点，在储能领域具有巨大的应用前景，为目前锂离子电池隔膜的更新换代提供一种可行的思路与方法。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836824003482
