锂离子电池耐高温PVDF-HFP基复合隔膜的制备与性能研究

发布时间：2020-06-28 13:35

【摘要】：锂离子电池除了在日常生活中的应用以外,现在越来越多的应用在电动汽车(EV)中,但是最近新能源汽车的燃烧和爆炸等问题被频繁报道出来,这就对LIBs的安全性能和大倍率性能提出了更高的要求。电动汽车燃烧、爆炸等安全问题发生的主要原因有:(1)持续放电或者过充造成的电池过热使得内部隔膜发生热收缩;(2)电池过充使得锂枝晶生长刺穿隔膜;(3)外力撞击造成电池的外部或者内部毁坏。以上这些因素都可能使电池发生内部短路,严重时可能会引发安全事故。现在商业应用的PP或者PE隔膜虽然有高的机械性能,但是其耐高温性能、浸润性和离子导电率都较差,不能满足电动汽车的高安全和大电流充放电的要求,急需热稳定性好和大倍率充放电的高性能复合隔膜。所以研究出热稳定性好和可大倍率充放电的复合隔膜成为解决此问题的关键。本论文采用相转化的方法制备了PVDF-HFP/TiO_2-NF和PVDF-HFP/Cellulose/TiO_2两种可耐高温多孔隔膜,获得的主要研究成果如下:1.采用相转化法制备出PVDF-HFP/TiO_2-NF复合隔膜,此复合隔膜中TiO_2纳米纤维作为造孔剂和耐热材料,TiO_2纤维的加入可以降低聚合物PVDF-HFP的结晶度,增加隔膜的孔隙率,但是掺杂也不可过量,过多复合隔膜的性能反而会降低。测试发现5 wt%TiO_2纤维掺杂的PVDF-HFP/TiO_2-NF复合隔膜各项性能最优,其复合隔膜孔隙率超过60%,吸液率高达277.9%,电导率也可以达到1.26 mS cm~( 1)。装有PVDF-HFP/TiO_2-NF复合隔膜的电池具有高的放电比容量(140mAh g~( 1))和倍率性能,并且其电池在110℃的高温下也能正常使用。2.采用相转化法制备出PVDF-HFP/Cellulose/TiO_2复合隔膜,此复合隔膜中添加了耐高温纤维素颗粒作为支撑PVDF-HFP基底的骨架,再在PVDF-HFP/Cellulose复合基底中添加5 wt%TiO_2纤维,纤维素和TiO_2纤维的添加都可以降低PVDF-HFP的结晶度,增加复合隔膜的耐热温度。最终得到PVDF-HFP/Cellulose/TiO_2复合隔膜的孔隙率可以达到63.65%,吸液率达到210.3%,并且有高达1.68 mS cm~( 1)的离子电导率。用PVDF-HFP/Cellulose/TiO_2复合隔膜组装的电池展现了高的比容量(160 mAh g~( 1))和倍率性能,并且此电池在120℃的高温下仍能正常进行充放电。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：

锂电池,领域

第 1 章绪论1.1 引言进入 21 世纪以来，随着人口的不断增长和工业化进程的不断加快，对能源的需求也大幅上升[1, 2]。现在使用的能源还是以化石能源为主，但是化石燃料的过度使用会造成严重的环境污染和资源匮乏等问题。为了改善此类问题，探索和开发清洁无污染的可再生能源成为当今社会研究的重点，自然界中此类能源主要有风能、地热能、太阳能和潮汐能等，但是它们大都无法被人类直接利用，需要将化学能转化为电能，其能量转化的效率非常低且成本高。经过多年研究和改进人们终于探索出了无污染、能量密度高和循环寿命长的锂离子电池，锂电池凭借着这些优点在生活的各个领域获得了广泛的使用[3, 4]。应用领域如图 1-1 所示。

锂离子电池,结构示意图

的工作原理是 Li在正负极材料之间来回嵌入和脱出的过程，不会有其他副产生 CO2和重金属污染等问题。直到 20 世纪 70 年代锂离子电池才开始进用化的时代，日本索尼公司最先发布了以钴酸锂为正极，石焦油为负极的锂电池，锂离子电池也开始被人们熟知和应用。经过不断的改进，现在的锂离池被运用在生活中的方方面面，并且随着科技技术的不断进步，人们对锂离池的要求也不断的提高。但是在锂离子电池得到广泛应用的同时也带来了一全问题。例如：2008 年美国哥伦比亚一辆经过改装的装有锂离子电池组的因为温度过高在高速公路行驶中起火；2013 年日本一架波音 787 飞机从山飞往东京时主电池组因为内部短路发生着火；2016 年中国北京一架 IEV5 在屯地标前起火，可能是接线松动而导致电池过热[5]。这就要求锂离子电池在高能量的同时还要具备优秀的安全性能。.2.2 锂离子电池的基本结构锂离子电池的核心组成部分主要包括：正极材料、负极材料、电解液、高隔膜和电池外壳[9-11](如图 1-2 所示)。

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