摘要
隔膜对锂离子电池的安全性和性能具有重要影响。本研究以蒙脱石（MMT）为填料、高密度聚乙烯（HDPE）为基体制备复合隔膜，并通过电子辐照处理提升其性能。电子辐照诱导HDPE分子链间及MMT与HDPE间形成交联化学键。经硅烷偶联剂处理的MMT呈现二维层状结构，剥离后比表面积增大，提供了更多交联位点，同时表面改性增强了与HDPE的相容性，使其在基体中分散更均匀。
电子辐照在空气氛围中产生的极性官能团还提升了隔膜对电解液的亲和性。最终制得的MMT复合隔膜安全性显著提高：穿刺强度达0.52 N/μm，135℃热处理30分钟后热收缩率仅为21.4%。采用该隔膜的Li//LCO电池在0.5C倍率下循环200次后，放电容量保持率达98.7%，库伦效率99.6%；20C高倍率下的容量保持率为0.5C时的74.5%，展现出优异的循环稳定性和倍率性能。
文章简介
通过SEM和EDS图像分析（图2）证实了材料的分散情况。在未经处理的MMT/HDPE复合隔膜中，可观察到数微米大小的颗粒团聚体分散在样品表面，Al和Si元素的EDS结果也显示出局部聚集现象。而经过ODS处理的MMT/HDPE复合隔膜（ODS/MMT/HDPE）分散性明显改善：在3wt.% ODS/MMT/HDPE样品表面未观察到团聚颗粒，Al和Si元素的EDS分析也显示出良好的分散性。但在7wt.%高填充量的ODS/MMT/HDPE样品中，尽管经过硅烷处理，仍出现了颗粒团聚现象，这归因于填料含量过高导致的分散困难。
采用四种隔膜（纯HDPE、3wt.% MMT/HDPE、3wt.% ODS/MMT/HDPE及100kGy辐照处理的3wt.% ODS/MMT/HDPE）组装Li//LCO电池进行电化学性能测试。图9展示了循环稳定性和倍率性能的测试结果。
在0.5C充放电倍率下循环200次后（图9a），四组样品的放电容量保持率呈现梯度提升：纯HDPE隔膜为86%，MMT/HDPE提升至94.6%，ODS/MMT/HDPE达到97.2%，而经电子束辐照的ODS/MMT/HDPE隔膜表现出最优异的98.7%保持率。值得注意的是，纯HDPE样品在50次循环后出现显著衰减，而两种ODS/MMT/HDPE样品（无论是否辐照）在200次循环前后均保持95%以上的容量保持率。库伦效率测试结果同样呈现递进趋势：四组样品分别为97.7%、98.5%、99.1%和99.6%，虽然均高于锂离子电池95%的常规标准，但改性隔膜仍展现出明显的提升效果。
倍率性能测试采用0.5C至20C梯度放电（每个倍率循环5次，图9c），结果显示在20C极限倍率下：纯HDPE隔膜容量保持率仅为45.9%，MMT/HDPE提升至63.9%，ODS/MMT/HDPE达到69.5%，而辐照处理的ODS/MMT/HDPE隔膜展现出74.5%的最高保持率。这一系列数据证实，通过MMT填料改性、ODS表面处理结合电子辐照的三重优化策略，可同步提升锂离子电池的循环寿命和大电流放电能力。
为探究不同隔膜对电池循环性能的影响机制，本研究系统测试了离子电导率、锂离子迁移数和交流阻抗等关键参数。选用隔膜类型与循环测试保持一致，包括纯HDPE、3wt.% MMT/HDPE、3wt.% ODS/MMT/HDPE及经辐照处理的3wt.% ODS/MMT/HDPE四种样品。
离子电导率直接反映电极间离子传输效率，是影响电池性能和容量保持率的核心指标。采用不锈钢电极对称电池测试体相电阻（图10），结果显示四组样品的离子电导率分别为0.336、0.607、0.769和1.02 mS cm^-1，呈现明显的梯度提升规律。相较于纯HDPE隔膜，添加填料的样品电导率提升80-220%，其中经电子束辐照处理的ODS/MMT/HDPE隔膜表现最优，电导率达到基准样的3倍以上。这种显著改善源于：1）MMT的二维层状结构提供了离子传输通道；2）ODS处理促进填料分散；3）电子辐照诱导形成的交联网络增强结构稳定性。
结论
本研究通过有机改性剂（ODS）处理和电子辐照技术制备出兼具高安全性与优异电化学性能的MMT/HDPE复合隔膜。ODS处理有效剥离MMT层状结构并提升其在HDPE基体中的分散均匀性，而电子辐照则促使ODS改性MMT与HDPE分子链间形成三维交联网络。层状剥离与高分散性使MMT暴露出更多交联位点，经100 kGy电子辐照后的复合隔膜展现出卓越的尺寸稳定性，其穿刺强度和热收缩率显著优化。同步产生的含氧极性官能团还使隔膜电解液亲和性提升20%以上。
电化学测试表明（图11，表1），采用该隔膜的Li//LCO电池具有优异的动力学特性：经100 kGy辐照的ODS/MMT/HDPE隔膜体系在首圈循环时界面电阻（Rct）仅为211.5 Ω，较纯HDPE隔膜降低43.3%；200次循环后Rct增长幅度控制在22.8%，远低于对照组的69.5%。电池同时展现出卓越的倍率性能（20C容量保持率达74.5%）和循环稳定性（200次循环容量保持率>98%）。
研究证实，具有丰富交联位点的二维纳米填料（MMT）比传统零维纳米颗粒更能有效提升复合隔膜性能。通过优化纳米填料表面处理工艺与电子辐照参数的协同作用，可进一步突破锂离子电池安全性与能量密度的技术瓶颈。该工作为开发新一代高性能电池隔膜提供了理论依据和工艺范式。
论文信息
Electron-Irradiated Montmorillonite/Polyethylene Composite Separator for High-Performance Lithium-Ion Battery
Sungwoo Kim, Md Amir Sohel, Ji Chan Kim, Sung Oh Cho
