随着电子信息和新能源汽车产业的快速发展,新型能源存储转化装置已成为了科学研究和技术开发的焦点。其中,锂基二次电池是最具发展前景的绿色新型能源系统。隔膜作为电池的关键部分之一,在阻隔正极与负极接触以防短路的同时还起着为锂离子传输提供连续通道的重要作用,其结构和性能很大程度上决定着锂电池的安全性能和电化学性能。商用聚烯烃隔膜虽然孔结构合适、电化学稳定、生产成本较低,但仍存在一些不容忽视的缺点。具体表现在三个方面:(1)电解液浸润性和保液性差,容易发生漏液现象,影响电池电化学性能及安全性能;(2)经拉伸取向而来的聚烯烃隔膜在温度升高的情况下尺寸不稳定,发生收缩,影响电池安全性;(3)不能有效抑制多硫化物的穿梭,影响锂硫电池循环寿命。因此,开展新型高性能隔膜的设计与制备研究具有重要的理论意义和应用价值。针对以上问题,本文基于结构优化与功能掺杂的设计思想,制备了高亲液的耐热有机-无机复合隔膜并应用于锂离子电池提高电池综合性能;同时构建了功能碳层修饰的对多硫化锂具有吸附或催化作用的复合隔膜,应用于锂硫电池抑制穿梭效应,加速电池反应过程,改善电池电化学性能。主要研究工作如下:基于对隔膜结构与电池性能之间关系的认识,针对如何提高电池高温安全性和电化学性能的关键问题,设计了一种亲液性的耐热复合纳米纤维膜。通过含氟可交联共聚物PC4SA-co-PMMA-co-PMPS的分子设计,结合静电纺丝技术,将其与具有特殊孔道结构的ZSM-5、电解液亲和性好的聚合物聚偏氟乙烯复合,获得高离子电导率的耐热三维交联复合纤维膜。考察隔膜结构、化学组成与电解液浸润性、机械强度及热性能之间的相互作用关系,进而分析隔膜浸润性和结晶度对离子电导率的影响,揭示共聚物和ZSM-5对锂离子在隔膜内传输行为的影响机制,在此基础上,系统研究了不同组成的隔膜应用于锂离子电池的电化学性能差异。结果显示复合膜具有更高的尺寸稳定性,吸液率和离子电导率(1.72mS cm-1,25℃),应用于锂离子电池具有更高的初试放电容量、循环稳定性和倍率性能。使用该隔膜的LiFePO4电池在0.5 C下具有145 mAh g-1的初始放电比容量,循环200圈后的比容量为136 mAhg-1,保持率为93.8%,库仑效率接近100%。针对锂硫电池中多硫化物扩散影响电池性能的问题,设计了一种高效阻隔多硫化物的非对称功能复合隔膜,旨在改善锂硫电池中存在的穿梭效应,提高电池活性物质利用率及循环稳定性。通过原位相转化法将MWCNT/MoO3/ZSM-5复合碳层引入间位芳纶中。利用碳网络结构的空间位阻效应,MoO3的活性位点及ZSM-5的特殊孔道结构获得具有多硫化锂物理-化学双重吸附效果的非对称耐热多孔膜。考察了隔膜的微观形貌、结构组成、亲液性和耐热性,系统研究了该隔膜应用于锂硫电池中对多硫化物扩散的抑制效果及其对电池性能的影响。与商业隔膜相比,非对称隔膜能有效阻隔多硫化物,改善了锂硫电池的倍率性能和循环稳定性,非对称隔膜装配的锂硫电池0.2 C下初试放电比容量为1201 mAhg-1。高效阻隔多硫化物的隔膜能有效改善锂硫电池的性能,但由于多硫化物的转化过程缓慢,单纯的吸附作用对电池电化学反应进程的提高具有一定的局限性。基于此,本文提出和制备了具有电化学催化作用的双层功能隔膜。利用高效静电纺丝技术和预氧化、碳化工艺,结合层间复合电纺技术,在聚丙烯腈纳米纤维膜上构建高效导电催化网络结构CNF-CeO2,获得具有多硫化物吸附-催化协同作用的高亲液双层复合纳米纤维膜。考察了隔膜的化学组成、微观形貌、热性能及亲液性,分析了隔膜组成和结构对多硫化物的阻隔作用及其催化多硫化物氧化还原的作用机理,系统研究了上层CNF-CeO2引入对锂离子扩散、电池倍率性能、循环稳定性和自放电的影响。结果表明,PAN/CNF-CeO2膜具有极高的吸液率能显著提高锂离子的扩散系数,抑制穿梭效应的同时提高电池电化学反应动力学。使用该隔膜的锂硫电池0.5C下经历300圈循环,比容量仍达到890mAhg-1,容量衰减率为每圈0.04%,循环性能稳定的同时具有良好的倍率性能和较低的自放电。基于以上研究,为了兼顾隔膜的电解液浸润性、耐热安全性及其应用于电池中电池的能量密度,设计了轻薄且综合性能优异的复合隔膜。通过水热法合成负载CeO2的碳纳米管,以耐热性能优异的芳纶纳米纤维薄膜为基材用极少量的复合碳材料构建出具有充足活性位点可高效吸附和催化多硫化物转化的CeO2@MWCNT/PMIA功能复合膜。考察了隔膜的表面形貌、结构、耐热性能和吸液率,研究了隔膜对锂离子扩散的影响及其对多硫化物的作用机制,在此基础上考评不同隔膜电池的电化学性能。结果表明,复合隔膜质量轻、厚度薄、吸液率合适且高温下尺寸稳定,其上层0D/1D堆叠的复合碳结构能提高离子的扩散并对多硫化锂产生高效吸附和催化作用,有效抑制电池的自放电现象(经历48h自放电,容量仅损失8%),改善电池的循环性能和倍率性能。