静电纺聚偏氟乙烯锂离子电池隔膜的无机改性研究

发布时间：2020-08-28 03:13

【摘要】：隔膜作为锂离子电池的重要组成部分,决定着电池的界面结构和内阻,也直接影响着电池的比容量、循环性能、安全性能等,因此对隔膜性能的优化有利于提高电池的综合性能。目前使用最广泛的是聚烯烃类(PP、PE)微孔膜,其具有优异的力学性能和化学稳定性,但同时存在孔隙率低、浸润性差、受热易变形等缺点。因此本文选用对有机电解液具有很好浸润性的聚偏氟乙烯(PVDF)作为基体材料,采用静电纺丝技术作为制备方法,通过添加不同维度的无机纳米材料对静电纺PVDF纤维进行改性。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、拉伸仪等表征手段对所制备的复合纤维膜进行形貌、结构、热学性和力学性能表征,以纽扣电池的形式,测试了复合纤维膜的电化学性能及电池性能。主要工作如下:首先,以原位复合的方式,将零维纳米材料SiO2与PVDF进行了复合。当SiO2含量为6%时纤维膜的孔隙率为87.48%,吸液率高达421%。PVDF/SiO2复合纤维膜/电解液体系具有较高的离子电导率(?2.5 mS?cm-1),并且复合纤维膜与锂电极的界面阻抗也随着SiO2含量的增加而逐渐减小。使用PVDF/SiO2-6%纤维膜组装的电池与采用PP微孔膜和PVDF纤维膜为隔膜的电池相比较,前者不仅比容量高,而且比容量衰减慢,在高倍率充放电时仍有很高的比容量保持率。其次,采用羧基化的一维多壁碳纳米管(MWCNT)对PVDF基纤维进行改性。复合纤维膜均具有较高的孔隙率(86-89%),吸液率大约是PP隔膜的5倍。碳纳米管的加入使纤维膜的熔点向高温偏移,而纤维的熔融焓和结晶度呈下降趋势。当MWCNT含量是5%时复合纤维膜/电解液体系的离子电导率最高为3.75 mS?cm-1。界面交流阻抗测试显示,只有PVDF/MWCNT-0.1%隔膜的界面阻抗为比较小的156Ω,其它含量的纤维膜界面阻抗都大于300Ω。复合纤维膜/电解液体系的电化学稳定窗口大于5 V,能满足锂离子电池的使用要求。以PVDF/MWCNT-0.1%作为隔膜组装的电池具有高的比容量、循环性能稳定、倍率充放电性能良好。最后,通过添加二维纳米材料蒙脱土(MMT)对PVDF基纤维进行改性。PVDF/MMT复合纤维膜的孔隙率大约为84%,纤维膜的吸液率是PP膜的3~4倍。MMT与聚合物复合后层间距增加,说明聚合物链段插层到MMT的层间。PVDF/MMT-7%复合纤维膜的断裂伸长率和拉伸强度分别高达65.1%和3.32 MPa。PVDF/MMT-5%纤维膜/电解液体系的离子电导率最高(4.20 mS?cm-1),界面阻抗也最小(97Ω)。采用PVDF/MMT-5%纤维膜作为电池隔膜组装的电池具有较高的比容量(147 mA?h?g-1)、良好的循环性能和倍率充放电性能。综合比较,添加MMT对PVDF纤维膜的力学性能改善最明显,用PVDF/SiO2-6%纤维膜组装的电池在0.2C倍率下的比容量最高,而以PVDF/MWCNT-0.1%作为隔膜组装的电池在高倍率充放电时比容量较高。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ340.64;TM912

【相似文献】