β-PVDF复合纤维隔膜的结构控制与性能研究

发布时间：2020-04-21 23:22

【摘要】：锂离子电池中的隔膜作为一种绝缘材料,其主要作用是防止正负极材料接触而导致短路,是保证电池安全的重要部件之一。尽管隔膜本身不参与任何电极反应,但是隔膜的厚度、原料和微孔数量等特性都会显著影响锂离子通过隔膜的速率,进而影响锂离子电池的充放电性能和安全性等性能。本论文采用相分离与熔融静电纺丝的方法制备β-PVDF纳米纤维膜;使用磁控溅射在PVDF纤维膜表面沉积SiO_2、Al_2O_3纳米陶瓷颗粒,以改善隔膜的电解液亲和性、热稳定性、电化学稳定性和充放电性能。首先,本课题选取聚偏氟乙烯(PVDF)为分散相,聚乳酸(PLA)为连续相,使用螺杆挤出机制备PVDF/PLA共混母粒。通过正交试验研究时间、组分比、温度对分散相(PVDF)尺寸的影响,由极差分析得到最佳实验条件:时间8 min、组分比2/8、温度180°C,从而使分散相尺寸最小,与实验中的最优条件相一致。经过相分离型熔融静电纺技术,成功制得直径为223 nm的PVDF纳米纤维膜。通过FTIR和XRD分析可知,在温度场、静电场和PLA中极性键的共同诱导下,PVDF中β相含量增加,从而促进了锂盐解离,有利于锂离子的传输。然后,以熔融静电纺制备的纯PVDF纤维膜和三种商业隔膜(PP、PE、PP/PE/PP)为参比隔膜,研究了PVDF纳米纤维膜的表面形貌、电解液亲和性、电化学性能和电池性能。结果显示,PVDF纳米纤维膜的电解液亲和性较强,接触角为26.1°,吸液率为427.76%,离子电导率为1.218 mS/cm,与商业隔膜PP/PE/PP(0.201 mS/cm)相比提高了6倍左右;界面电阻仅为75.9Ω,远小于商业隔膜PP/PE/PP的319.7Ω。100次充放电循环后,PVDF纳米纤维膜的比容量为84.0%,优于商业隔膜(65.2%)。最后,通过磁控溅射技术在PVDF纳米纤维两侧沉积SiO_2和Al_2O_3纳米颗粒制备SiO_2/Al_2O_3/PVDF、SiO_2/PVDF、Al_2O_3/PVDF三种陶瓷复合隔膜。研究了磁控溅射前后隔膜材料的表面成分及形貌变化、比表面积、接触角、热稳定性、电化学性能,并对装配该复合隔膜的电池进行电池性能测试以及高温性能测试。结果表明,两种陶瓷纳米颗粒能够均匀沉积在PVDF纳米纤维膜表面,且隔膜仍保持较高的孔隙率。三种陶瓷复合隔膜中,SiO_2/Al_2O_3/PVDF复合膜的综合性能最优,其电解液接触角仅为16.0°,吸液率可达468.46%;离子电导率高达1.551 mS/cm,界面阻抗仅为47.3Ω,分解电压5.5 V,均优于未改性的PVDF纳米纤维膜。充放电循环100次后,SiO_2/Al_2O_3/PVDF比容量保持率高达86.45%。进行高温性能测试时,SiO_2/Al_2O_3/PVDF表现出优于商业隔膜的界面稳定性,并能保持较高的容量保持率。
【图文】：

表 1-1 陶瓷复合隔膜的性能Tab.1-1 Properties of inorganic composite separators方法 基材 粘结剂 陶瓷颗粒Gurley numbe（sec /100 mL处理前 处理涂覆 PP PVDF-HFP Al2O3241 490涂覆 PP PVA Al2O3178 195涂覆 PE PVA AlOOH 81 106涂覆 PE WCDA SiO2224.4 656溅射 PE --- Al2O358 100离子电池隔膜改性的方法主要为涂覆法，然而为了将陶瓷粘结剂会导致隔膜的厚度和重量增加较多，增加了电池的而且过多的粘合剂也会堵塞隔膜中的孔隙，使隔膜界面阻于高存储锂电池的开发（如表 1-1 所示）。更严重的是，高温下显示出高收缩率，导致颗粒从隔膜脱落并影响成膜

第二章 β 相 PVDF 纤维膜的制备及物化性能研究混母粒微观形貌表征过 SEM 观察聚偏氟乙烯（PVDF）和聚乳酸（PLA）共混母粒截面的微样品放于液氮中脆断，并在样品的横截面喷金后进行测试。在九种实验条粒粒径采用 Nano Measurer 1.2 软件进行测量。 相 PVDF 纳米纤维膜的制备 PVDF/PLA 共混母粒放入自制的熔融静电纺丝设备，制备 PVDF/PLA 纤选用的 3 个参数条件为：温度（230 °C）、纺丝距离（4 cm）、电压（20 PVDF/PLA 纤维膜利用三氯甲烷通过索氏提取除去 PLA，提取温度为 6h。提取后使用乙醇和去离子水洗涤，再将提取后的纤维膜放在真空烘箱（0 °C）干燥 8 h 后置于热压机上（设置温度为 80 °C）热压 5 min 得到 PV，记为 ME-ext PVDF。图 2-1 为 ME-ext PVDF 纳米纤维膜的制备示意图
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ342.94;TM912

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本文编号：2635858