功能化纳米二氧化硅复合聚烯烃微孔膜的制备及性能研究

发布时间：2020-08-15 12:09

【摘要】：锂离子电池(LIBs)因为具备较高的能量密度和优异的循环寿命,已普遍应用于便携式电子设备,尤其是电动汽车。隔膜作为锂离子电池的关键部件,具有防止正极和负极直接接触,同时允许自由离子输运的特性。当前,聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)微孔隔膜因其良好的机械强度和化学稳定性,已成功地应用于商用锂离子电池。然而,高温下其热收缩将导致电极之间短路,从而产生破坏性的安全问题。此外,由于其固有的疏水性,电解液润湿性和润湿速度较差,导致离子电导率较低,锂离子迁移较慢。针对上述问题,本文开展了聚烯烃微孔隔膜改性研究。主要研究内容和结果如下:功能性纳米二氧化硅涂覆PE微孔膜的制备及性能研究:首先合成了具有核壳结构的SiO_2-PZS(二氧化硅-聚膦腈)纳米颗粒,并在PE微孔膜的两侧进行涂覆,测试复合膜的电化学性能,同时与未包覆SiO_2涂覆膜进行比较。其中,PE-SiO_2@PZS隔膜的离子电导率(1.04×10~(-3) S cm~(-1))高于PE-SiO_2隔膜(8.32×10~(-4)S cm~(-1))和PE隔膜(8.25×10~(-4) s cm~(-1))。PE-SiO_2@PZS隔膜在8C倍率下放电容量为115 mAhg~(-1),PE隔膜放电容量为105 mAhg~(-1),PE-SiO_2隔膜放电容量为106mAhg~(-1)。同时,PE-SiO_2@PZS涂覆膜的界面阻抗最低(63Ω),说明包覆SiO_2涂覆膜与电极之间接触性能较好。功能性纳米二氧化硅复合PP微孔膜结构与性能研究:SiO_2和SiO_2-PZS填料的加入对PP微孔膜性能影响明显。对于SiO_2填料,含量0.5%时,PP/SiO_2流延膜具有最大的屈服强度43.6MPa、拉伸强度82.0MPa,相比PP纯流延膜依次增加了14.4%、10.9%;随着SiO_2含量增加,屈服强度、晶区取向和弹性回复率均呈现下降趋势。同样在含量为0.5%时,PP/SiO_2微孔膜透气性能最好,力学性能最佳。但对于SiO_2-PZS填料,PP/SiO_2-PZS流延膜屈服强度均低于同等含量的PP/SiO_2流延膜,随着其含量增加,屈服强度、晶区取向和弹性回复率也呈现下降趋势。测试PP/SiO_2和PP/SiO_2-PZS微孔膜的电化学性能,发现:PP/SiO_2-PZS微孔膜在填料含量0.5%时,其离子电导率最大,为1.51×10~(-3) S cm~(-1),相比纯PP隔膜增加了0.41×10~(-3) S cm~(-1),同时也略高于同等SiO_2填料含量的PP/SiO_2微孔膜。同时,在8C倍率循环下,其放电比容量也达到最大,为113 mAh g~(-1),为初始放电容量(0.5C)的76.35%,高于同等SiO_2填料含量的PP/SiO_2微孔膜。1C循环100次后也较PP和PP/SiO_2微孔膜组装电池容量高。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM912
【图文】：

锂离子电池,基本组成,工作原理,正极

1.2 锂离子电池简介1.2.1 锂离子电池工作原理图1-1为锂离子电池基本组成及工作原理。锂离子电池由四个功能部件组成，即正负极、隔膜和电解质。锂离子电池反应机理是嵌入-脱出，在充电过程中，外部电源迫使电流反向通过，使得锂离子在电解液中从正极迁移到负极，当电池放电时，锂离子通过电解质从负极向正极移动，并携带电流位于正极和负极之间[4]。

形貌,湿法,微孔膜,干法

湿法膜更适用于长循环寿命电池，因为在充放电过程中，相互连通的孔和曲折的结构有利于阻止枝晶的生长。图1-7 通过不同方法制备的微孔膜形貌图（a）干法（b）湿法Figure 1-7 SEM images of microporous membrane made by (a) dry process and (b)wet process

示意图,贻贝,纳米纤维,多巴胺

体电解质相和电纺纤维膨胀形成的凝胶相[15]。ao 等[28]对电纺 PVDF 无纺布隔膜的形貌和晶体结构进行了研究，性能。电纺 PVDF 无纺布隔膜结晶度较低，但分子链取向较强，具能。电纺 PVDF 无纺布隔膜拉伸强度随着纤维直径的减小而增大，高的外加电压和较高的拉伸比下制备出直径较小的纤维。研究还发的电纺无纺布具有较高的孔隙率和均匀的孔隙分布，可以有效地抑长，因此使用这些无纺布作为隔膜的 Li/LiMn2O4电池表现出良好ao 等人[29]使用聚多巴胺（PDA）涂层对这些 PVDF 膜进行了改性。图 1-9，采用 PDA 涂层的 PVDF 无纺布纳米纤维膜，提高了电池功率性能。循环稳定性和速率能力的提高是由于吸附能力的提高、提高。

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