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锂离子电池具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优点,因而在过去几十年中被广泛应用于便携式电子设备例如笔记本电脑、手机、数码相机等产品中。近年来,随着新能源汽车与清洁能源的快速发展,对新型动力电池与储能电池的性能及安全性也提出了更高的要求。新型电池材料的发展也为电池性能和安全性的提升提供了新的机遇和可能性。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等部分组成。其中,电池隔膜主要起着阻止正负电极直接接触、防止电池短路、传输离子的作用,是保障电池安全并影响电池性能的关键材料。虽然隔膜并不直接参与电池的电化学反应,但其性能却影响电池的界面结构、内阻等性质,进而影响电池的能量密度、循环寿命和倍率等性能。另外,隔膜的热稳定性还决定着电池工作的耐受温度区间和电池的安全性。目前商品化的锂离子电池隔膜主要是聚烯烃类有机隔膜。此类隔膜的优点是价格便宜、力学性能好、且具有较好的电化学稳定性。但也存在不足之处,例如:对电解液的润湿性较差、孔隙率较低、热稳定性差、在较高温度下容易收缩或熔融,存在安全隐患。目前,关于锂离子电池的研究工作多集中在开发新的电极材料、隔膜和电解质材料,却较少涉及电极和电池结构对电池性能的影响。优化电极的结构,不仅可以提高电极的导电性和电极对电解液的浸润性能,还能加快电子和离子在整个电极内的传输速率,进而提升电池的能量密度和倍率性能。另外,电极的稳定性和对极端工作条件的耐受性还影响电池的循环稳定性和安全性。然而,如何获得易于放大制备、具有较高活性物质负载量和结构稳定性、又具有良好电化学性能的厚电极是一个巨大的挑战。羟基磷灰石是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成份,具有良好的生物活性和生物相容性,在生物医学领域具有广泛的用途。但是,羟基磷灰石在能源和电化学领域的应用却少有报道。羟基磷灰石本身是一种电绝缘的无机材料。采用羟基磷灰石超长纳米线制备的无机耐火纸,具有高热稳定性,可耐1000℃以上的高温。由羟基磷灰石纳米线交织组装获得的耐火纸还具有高孔隙率和相互贯穿的孔结构,有利于电解液和锂离子的传输与扩散。另外,羟基磷灰石纳米线表面富含羟基,便于进行进一步的修饰和功能化。本论文的研究内容主要围绕“基于羟基磷灰石纳米线的耐高温锂离子电池材料”来开展,包括网状结构羟基磷灰石纳米线和高强度无机耐火纸的设计与制备、羟基磷灰石纳米线基耐高温锂离子电池隔膜、以及基于羟基磷灰石纳米线组装结构的耐高温与高载量LiFePO4复合厚电极。1.网状结构羟基磷灰石纳米线和高强度无机耐火纸的设计与制备发展了油酸钙前驱体水热法,制备出可以在水中单分散的羟基磷灰石纳米线,其直径为10 nm左右、长度为500 nm左右。由单分散羟基磷灰石纳米线出发,通过自组装获得了一种具有高柔韧性的网络结构羟基磷灰石纳米线,并分析了其多级自组装的机理。这种互相交联网状结构羟基磷灰石纳米线,相比于成束状的羟基磷灰石纳米线,更能有效提高纤维之间的结合强度,是构筑高强度耐火纸的理想原料。采用复合技术制备了一种具有高力学强度和高温柔韧性的复合无机耐火纸,并研究了其宏量制备方法。该工作为羟基磷灰石纳米线和无机耐火纸的实际应用打下了基础。2.羟基磷灰石纳米线基耐高温锂离子电池隔膜成功研制出一种新型羟基磷灰石纳米线基耐高温锂离子电池隔膜,该电池隔膜具有诸多优点,例如柔韧性高、力学强度好、孔隙率高、电解液润湿和吸附性能优良、热稳定性高、耐高温、阻燃耐火、在700℃高温下仍可保持其结构的完整性。采用羟基磷灰石纳米线基耐高温电池隔膜组装的电池比采用聚丙烯隔膜组装的电池具有更好的电化学性能、循环稳定性和倍率性能。更重要的是,采用羟基磷灰石纳米线基耐高温电池隔膜组装的电池具有优异的热稳定性,可耐高温,在150℃高温环境中能够保持正常工作状态,并点亮小灯泡;而采用聚丙烯隔膜组装的电池在150℃高温下很快发生短路。该研究工作对大幅提高锂离子电池的工作温度范围和锂离子电池的安全性具有重要的意义。3.基于羟基磷灰石纳米线组装结构的耐高温与高载量LiFePO4复合厚电极成功研发了一种既可以耐高温、又具有高活性物质负载量的新型磷酸铁锂复合电极,用作高安全性锂离子电池的正极。研究结果表明,网状结构羟基磷灰石纳米线、科琴黑纳米颗粒和磷酸铁锂颗粒作为电极构筑单元,在静电引力的相互作用下,自组装形成一种特殊的多孔复合结构。这种独特的多孔复合结构既可以保证活性物质和导电剂之间紧密的导电接触,又能够促进电解液在整个电极内部的传输和扩散,同时优化电极的电子和离子传输通道。在负载等量活性物质(18mg cm–2)的情况下,所制得的复合电极与传统的涂敷电极相比,具有更高的电导率和孔隙率、更佳的电解液润湿和扩散能力、更高的容量和更好的倍率性能。得益于各构筑基元之间的相互作用,所制得的复合电极还可以实现较高的活性物质负载量(最高可达108 mg cm–2)和面积比容量(最高可达16.4 mAh cm–2),大约是传统涂敷电极的5倍。除此之外,羟基磷灰石纳米线独特的热稳定性还赋予该复合电极优异的耐高温（可达750oC）、耐火、宽工作温度范围（可达160oC）等特性。该工作对提升锂离子电池关键材料的热耐受性与安全性以及发展极端条件锂离子电池具有重要的意义。