锂离子电池（LIBs）因高能量密度和环保特性广泛应用于新能源领域，但其商用隔膜存在熔点低、孔隙率不足和电解液润湿性差等缺陷，导致热失控风险高、离子传导效率低，限制了电池的安全性和能量密度提升。静电纺丝技术通过构建纳米纤维三维网络，可制备高孔隙率、高比表面积的隔膜，显著增强电解液吸附和离子传输能力。因此，来自东华大学的朱美芳院士团队在《Advanced Functional Materials》期刊发布了“Sustainable APTES-Modified Nano-TiO₂/PVA Composite Nanofibrous Separators for Thermally Stable Lithium-Ion Battery”的最新研究成果。

本研究采用 3 - 氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）改性纳米 TiO₂（MNT）以改善分散性和界面相容性，结合异氰酸酯类交联剂和聚乙烯醇（PVA）作为纺丝溶液组分，通过静电纺丝制备复合纳米纤维隔膜。具体制备流程见图1。

一：机械性能与热稳定性提升

通过实验测试了 MNT/PVA 隔膜的机械性能和热稳定性。结果表明，MNT/PVA 隔膜的拉伸强度达到 33.2 MPa，远高于传统 PVA 隔膜的 25.4 MPa（见图 2a）。这归功于异氰酸酯与 PVA 的交联反应以及纳米颗粒的改性，提高了 MNT 在纺丝溶液中的分散性和界面相容性。热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）测试显示，MNT/PVA 隔膜具有更高的热降解温度和更小的热收缩率。在 200℃ 的高温环境下，MNT/PVA 隔膜未出现收缩现象，而商业 PP 隔膜在 160℃ 时就开始收缩和卷曲（见图 2d 和 2e）。这表明 MNT/PVA 隔膜在高温条件下具有优异的尺寸稳定性。

二：多孔结构与电解液亲和性优化

MNT/PVA 隔膜的孔隙率高达82.5%，电解液吸收率为566.1%，均为对照组中最高（纯 PVA：67.0%、452.8%；PP：39.2%、231.9%）。其纳米纤维平均直径仅 243 nm（纯 PVA 为 505 nm），更细的纤维交织形成更密集的三维网状孔隙，同时 MNT 表面质子化氨基（-NH₃⁺）通过静电排斥维持分散性，避免堵塞孔隙（见图3c）。

相比PP隔膜，MNT/PVA 的离子电导率达到1.54 mS cm⁻¹，是其 3 倍以上。高孔隙率提供离子传输通道，极性基团（-OH、-NH）增强电解液浸润性，共同促进锂离子快速迁移（见图3e）。

三：电化学性能与循环稳定性更高

​MNT/PVA 隔膜表现出更高的离子电导率（1.54 mS cm⁻¹）和稳定的循环性能，在 0.5C 电流密度下循环 100 次后，MNT/PVA 隔膜的容量保持率为88.3%（初始容量 137.9 mAh g⁻¹），显著优于 PVA（81.3%）、纳米 TiO₂/PVA（86.4%）和 PP（73.7%）。这是由于 MNT 与锂反应生成低导电性 LixTiO₂，抑制了锂枝晶生长，同时高孔隙率缓解了电解液消耗（见图4）。

而在 4C 高倍率循环 50 次后，MNT/PVA 容量保持率为 87%，而 PP 隔膜仅为 51%。三维网状结构有效限制枝晶穿透，维持电极 - 隔膜界面稳定性（见图5）。

四：纺丝工艺的可持续性和技术优势

在研究中，采用水作为纺丝溶剂，避免了传统有机溶剂（如 NMP、DMF）的污染问题。APTES 改性纳米 TiO₂通过静电排斥实现分散，无需额外表面活性剂，符合可持续化学原则。本研究中，可通过静电纺丝工艺调节 MNT 含量（最佳为 1.5 wt%）和交联剂比例，继而制备均匀隔膜。

综上所述，研究的初步实验结果表明，与商用隔膜相比，MNT/PVA 隔膜在锂离子电池中表现出更优性能，在高倍率循环下具有更高的容量保持率和改善的循环稳定性，这归因于改性纳米 TiO₂的引入提高了隔膜的孔隙率。此外，采用可持续和创新的原材料与技术制备的静电纺丝纳米纤维隔膜更符合绿色发展理念。因此，该静电纺丝纳米纤维隔膜是为高安全性 LIBs 隔膜开发提供了新策略。

文献来源： https://doi.org/10.1002/adfm.202504826