随着传统化石能源储备的日益减少与工业污染,人类一直在寻找可替代的新能源以满足日益骤增的能源需求。锂离子电池作为当代新能源研发中的重要组成部分,近年来针对其正、负极材料、电解液、隔膜的研究数不胜数,使得电池的比容量、功率、充放电性能以及循环稳定性等得到大幅提升。隔膜在锂离子电池内部起到隔离正、负极以及提供离子传输微通道的作用,所以其结构与强度对电池的安全性能起到十分重要的作用。为了弥补商用电池隔膜亲液性弱、热稳定性较差、孔隙率有待提升等不足,本文针对新型纤维素隔膜开展多尺度力学建模与性能研究,对于改善锂离子电池的安全性能具有十分重要的科学意义。本文试图在不同尺度下对纤维素隔膜的材料与结构进行建模与力学计算,以揭示其弹性性能的跨尺度传递机制。主要工作包括纤维素微观尺度的分子模拟,中尺度的微纤单元理论计算、单根纤维建模仿真,以及宏观尺度的纤维网格代表性体积单元（RVE）建模与预测。随后,基于多尺度模型,对纤维素隔膜在真实工况下的力学性能开展研究,包含电解液浸润湿因素及温度因素的影响。最后,将多尺度建模与真实工况下的力学研究结果应用于实践,进行隔膜的制备、微结构调控与力学性能改善试验,实现隔膜材料、微结构与宏观性能的一体化研究。本文主要工作包括:（1）微观尺度纤维素基材料体系力学行为研究在微观尺度上,对纤维素隔膜进行材料自身力学行为研究。一方面借助Materials Studio软件构建了纤维素结晶区、纤维素无定形分子链、木质素分子模型,并计算机械性能,获得分子模型的弹性模量。另一方面通过制备纤维素、半纤维素和木质素的单质试样,进行力学拉伸试验。另外,借助分子模拟方法研究隔膜材料与电解液溶剂（DMC和EC有机溶剂）之间的共混性能与界面性能。多尺度建模中,微观尺度分子模拟计算的材料弹性性能将应用于中尺度单根纤维的材料属性输入。（2）中尺度单根纤维结构建模与力学行为研究在中尺度上,对纤维素隔膜的单根纤维进行结构建模与力学行为研究。首先分析单根纤维植物细胞壁的材料组成以及多层结构,针对S1～S3层的微纤进行微纤单元的弹性模量计算,进而构建多层同心椭圆模型,简化后用于单根纤维弹性力学性能的仿真。同时构建保留S2层微纤的椭圆模型以探究微纤对纤维应力分布的影响,并借助原子力显微镜（AFM）微探针对植物单根纤维进行弹性性能测试。多尺度建模中,将中尺度单根纤维的计算结果应用于宏观隔膜的RVE模型中,作为纤维网格的梁单元弹性性能输入。（3）宏观尺度隔膜的微结构代表性单元建模与仿真研究在宏观尺度上,对纤维素隔膜的微结构纤维网格进行RVE建模以及仿真研究。面对纤维网格提出基于图像形貌骨架的结构重建以及基于图像信息统计的随机重建方法。并创新性地提出一种基于Inp文件的图像处理、结构重建、有限元模型构建以及力学仿真的程序化建模方法。另外,借助Matlab的Tau Factor插件对纤维网格模型的离子扩散能力进行模拟计算,探索结构参数的影响。宏观尺度的微结构RVE模型用于预测隔膜的弹性力学性能,可以对微结构参数进行优化设计,进而指导制备工艺中的参数选择。（4）基于多尺度模型的隔膜工况力学性能研究基于已构建的多尺度结构建模与力学性能计算方法,开展纤维素隔膜在电池内部工况下的弹性力学性能研究。首先,开展电解液浸润湿因素的多尺度研究,微观尺度上借助分子模拟研究纤维素基材料体系的湿胀效应,中尺度上结合微纤单元计算与同心椭圆模型研究纤维的湿胀与弱化,宏观尺度上对隔膜纤维网格RVE模型进行湿弹性计算。其次,从微观与宏观尺度探讨温度对纤维素隔膜刚度的影响,微观上借助分子模拟进行不同温度模拟,宏观尺度上进行隔膜热稳定性实验以及高温拉伸测试。最后针对纤维素隔膜的湿态力学性能进行弹性本构关系研究,充分考虑纤维湿胀与刚度弱化的影响。（5）纤维素基隔膜的制备及力学性能改善研究基于多尺度建模研究并结合纤维素隔膜湿态力学性能研究,采用合适工艺处理纤维素浆并制备纤维素隔膜。使用TEMPO氧化及高压均质工艺实现纤维素隔膜微结构的调控,采用真空抽滤法制备纤维素隔膜,对其基本性能、孔隙性能、表面性能、力学性能以及电化学性能进行全面的测试与表征。借鉴天然植物材料体系优势,本文将木质素组分引入纤维素隔膜中作为湿态增强剂,并对其作用机制进行探索,最后将多尺度建模方法应用于隔膜制备工艺的指导,形成纤维素隔膜的“材料-结构-性能”的一体化传递关系。