锂离子电池因其高比能量及高电压等优点,成为当前应用最为广泛的储能装置之一。然而,电动汽车的快速发展,不仅要求动力锂离子电池具有高的功率密度和能量密度,而且其安全性能也同样不容忽视。作为电池的重要组成部分之一,隔膜能够避免正极与负极直接接触而发生短路,同时保证锂离子的快速转移,对电池的性能及安全性至关重要。目前,普遍使用的单层或多层聚烯烃微孔隔膜具有出众的电化学稳定性、较高的机械强度,然而其疏水性能导致电解液亲和性差,从而影响了电池倍率性能:低的孔隙率、孔径分布不均匀,不利于锂的均匀电沉积;较差的耐热性能不利于锂离子电池安全性能的改善。因此,开发具有孔隙率高、电解液亲和性强、机械强度高、耐热性好等特性的高性能隔膜对发展高性能高安全锂离子动力电池具有重要的价值和意义。本论文针对以上问题,对锂离子电池隔膜进行设计,研究其组成和结构对其性能的影响,从不同角度改善锂离子电池安全性能和电化学性能。主要工作如下:一、以聚偏氟乙烯(PVDF)和商用纸(CP)为隔膜原料,通过真空抽滤法将一定量的聚偏氟乙烯(PVDF)溶液填充于纤维素微米级孔道间,制备了 CP-PVDF复合隔膜。结构表征显示,CP-PVDF复合隔膜具有均匀的纳米孔径,且CP中丰富的含氧官能团,极大增强复合隔膜的电解液润湿性。同时,纤维素与PVDF的强分子间氢键(F---H—O)以及分子内氢键(O---H—O)赋予了复合膜优异的耐热稳定性(300℃不发生热皱缩)和机械性能(强度达35 MPa),能够有效防止锂枝晶的渗透和穿刺。此外,CP-PVDF隔膜有效固定电解液阴离子的移动,提升锂离子迁移数,促进锂离子的均匀沉积。电化学分析显示,组装的LiFePO4/CP-PVDF/Li电池在5C大倍率下,放电比容量达113.8 mAh g-1,500次循环后容量仍能保持100.3 mAh g-1,有效的延长了电池的使用寿命。二、采用简单高效的浸泡工艺获得聚多巴胺(PDA)直接修饰的纤维素商用纸(CP)隔膜。结构表征显示,PDA-CP膜相互连接交织的纤维形成纳米级孔径结构,这源于PDA良好的附着力。由于隔膜材料丰富的官能团,PDA-CP隔膜展现了优异的电解液存储能力(吸液率达320wt.%),电导率(1.29 mS cm-1)及优异的热稳定性(300℃)。组装的Li/PDA-CP/Li对称电池在电流密度为0.5 mA cm-2下展现了 500周期(3000h)的稳定电压,有效稳定Li的反复电沉积。电化学性能测试表明,LiFePO4/PDA-CP/Li电池在高倍率5C下展现了 110 mAh g-1的高可逆放电容量,远大于商用隔膜80mAhg-1;经600次循环,容量几乎不衰减。三、以金属有机骨架材材料(Co-MOF)和聚偏氟乙烯(PVDF)为原料,通过相转化法和浸泡法获得PVDF-MOF功能性复合隔膜。微观形貌显示,多孔MOFs颗粒均匀有序地生长在PVDF基底膜俩侧,构建了丰富的孔道结构,有利于提高隔膜的电解液浸润性(吸液率达300wt.%)和离子电导(1.2 mS cm-1)。其丰富的孔道将电解液限制在内,有效抑制了电解液的分解,实现高的电化学稳定窗口(5 V)。通过电化学性能测试,组装的LiFePO4/PVDF-MOF/Li电池在5C下仍保持110 mAh g-1的容量,400次循环后仍能保持102.5 mAh g-1出色的循环稳定性。同时,电池在反复循环中具有较低的界面电阻,展现了良好的界面相容性,从而保证了电池良好的循环稳定性和高倍率能力。总之,本文针对聚烯烃隔膜存在的电解液亲和性弱和热稳定性差等问题,设计了多种高性能复合隔膜,显著改善了锂离子电池的电化学性能和安全性能。廉价安全的纤维素等新型复合隔膜体系是未来锂离子电池隔膜发展的重要方向,本论文研究内容及结果可为高性能隔膜的发展提供了更多的设计思路和必要的理论支撑。