表面包覆二氧化硅的聚酰亚胺纳米纤维膜的制备及其作为锂电隔膜的研究

发布时间：2017-09-02 04:14

  本文关键词：表面包覆二氧化硅的聚酰亚胺纳米纤维膜的制备及其作为锂电隔膜的研究

  更多相关文章： 静电纺丝 二氧化硅 聚酰亚胺 隔膜 锂离子电池

【摘要】：近年来锂离子电池因具有放电比容量大、循环使用寿命长,而受到了研究者们的广泛关注。电池隔膜作为锂离子电池中重要的组成部分,其最重要的作用是避免锂电池正负极直接接触。目前商用的锂电池隔膜仍以聚烯烃隔膜为主,如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)隔膜。聚烯烃隔膜虽然具有力学性能好、厚度薄、耐化学腐蚀等特点,但其对极性电解液浸润性差,孔隙率低等缺点会影响锂电池的电化学表现,尤其是其较差的热尺寸稳定性容易引起电池短路甚至爆炸。为了能够找到理想的锂离子电池隔膜,研究者们把目光投向了无纺纤维膜和无机粒子增强聚合物基复合隔膜的开发上。聚酰亚胺作为一种工程塑料,具有热稳定性高、耐化学腐蚀等特点,聚酰亚胺基的纳米纤维膜具有孔隙率高、比表面积大、孔隙结构独特等特点,将其作为锂电池隔膜,可提高隔膜的吸液率允许更多锂离子通过,并可解决锂电隔膜热尺寸稳定性差的缺点,从而满足新一代锂离子电池隔膜的需求。但是仅仅通过静电纺丝法制备的聚酰亚胺纳米纤维膜存在力学性能差,不能够满足锂电池隔膜生产过程中收卷和电池封装的要求。为了克服纳米纤维膜力学强度低的缺点,我们使用二氧化硅粒子增强纳米纤维膜,从而提高纳米纤维膜的力学性能、热性能、浸润性等性能。本文在尝试了溶胶-凝胶法、掺杂法和表面涂覆法等常用的复合隔膜的制备方法后,创造性的提出并使用静电纺丝原位水解法制备出表面包覆二氧化硅的聚酰亚胺纳米纤维膜,其力学强度和热尺寸稳定性均得到了提升,大大提高了锂电池使用过程中的安全性。这种复合隔膜的力学拉伸强度能达到41.77MPa,虽然与商用Celgard隔膜有一定差距,但基本能够满足电池封装的需求。复合隔膜中最小的离子电导率(0.94 mS cm-1)接近Celgard隔膜(0.54 mS cm-1)的两倍。使用复合隔膜的锂离子电池具有优异的电化学表现,其在大倍率放电条件下表现尤其突出,在5C的大倍率放电条件下,其放电比容量的保持率,能达到84.44%以上,高于Celgard(62.23%)和PI(77.47%)隔膜的放电比容量。经过100次1C/1C的充放电循环后,锂电池的放电比容量的保持率仍能够达到98%以上高于Celgard隔膜(96.44%)。研究结果表明,原位水解法制备的表面包覆二氧化硅的聚酰亚胺纳米纤维膜有希望成为高性能锂离子电池隔膜的候选者。
【关键词】：静电纺丝 二氧化硅 聚酰亚胺 隔膜 锂离子电池
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 静电纺丝法14-18
• 1.1.1 静电纺丝的原理14
• 1.1.2 静电纺丝的装置14
• 1.1.3 静电纺丝的发展历史14-15
• 1.1.4 静电纺丝的影响条件15-16
• 1.1.5 静电纺丝制备材料的应用领域16-18
• 1.1.6 静电纺丝制备聚酰亚胺纤维膜18
• 1.2 聚酰亚胺研究现状18-20
• 1.2.1 聚酰亚胺18-19
• 1.2.2 聚酰亚胺的特性及应用19-20
• 1.3 锂离子电池发展现状20-27
• 1.3.1 锂离子电池20-22
• 1.3.2 锂离子电池正负极材料22
• 1.3.3 锂离子电池隔膜22-23
• 1.3.4 锂离子电池隔膜的种类23-26
• 1.3.5 锂离子电池隔膜应具备的特性参数要求26-27
• 1.4 课题研究的背景、内容和方法27-30
• 1.4.1 研究背景和意义27-28
• 1.4.2 课题的研究方法28
• 1.4.3 课题的创新性28-30
• 第二章 表面包覆SiO_2的PI薄膜的制备及表征方法30-40
• 2.1 实验原料及仪器30-31
• 2.2 静电纺丝制备复合隔膜的工艺条件探究31-36
• 2.2.1 溶胶-凝胶法31-32
• 2.2.2 掺杂法32-33
• 2.2.3 表面涂覆法33-34
• 2.2.4 原位水解法34-36
• 2.3 复合隔膜的各项测试和表征方法36-40
• 2.3.1 纳米纤维形貌及表面组成36-37
• 2.3.2 密度测试37
• 2.3.3 吸液率和孔隙率测试37-38
• 2.3.4 红外测试表征38
• 2.3.5 力学性能测试38
• 2.3.6 热性能38
• 2.3.7 静态接触角38-39
• 2.3.8 离子电导率(交流阻抗测试)39
• 2.3.9 电化学性能测试39-40
• 第三章 实验结果与讨论40-72
• 3.1 制备工艺研究40-47
• 3.1.1 溶胶-凝胶法的可行性研究40-41
• 3.1.2 掺杂法的可行性研究41
• 3.1.3 表面涂覆法的可行性研究41-42
• 3.1.4 原位水解法的可行性研究42-44
• 3.1.5 原位水解法的验证44-47
• 3.2 复合隔膜表征与测试47-72
• 3.2.1 电镜测试结果的分析与讨论47-49
• 3.2.2 吸液率和孔隙率49
• 3.2.3 红外测试表征49-50
• 3.2.4 力学性能测试50-51
• 3.2.5 热性能51-56
• 3.2.6 静态接触角56-59
• 3.2.7 离子电导率(交流阻抗测试)59-60
• 3.2.8 电化学性能测试60-72
• 第四章 结论72-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-80
• 研究成果及发表的学术论文80-81
• 作者和导师简介81-82
• 附件82-83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 宋艳江;王晓东;王伟;黄培;;碳纤维增强热塑性聚酰亚胺及其复合材料[J];材料科学与工程学报;2007年03期

2 倪文昊;丁冬;;我国锂离子电池发展现状及前景探讨[J];中国石油和化工标准与质量;2012年01期

3 雷圣辉;陈海清;刘军;汤志军;;锂电池正极材料钴酸锂的改性研究进展[J];湖南有色金属;2009年05期

4 崔永丽,张仲华,江利,欧雪梅;聚酰亚胺的性能及应用[J];塑料科技;2005年03期

5 张春雪;王苹;;静电纺丝及其在纳米复合材料制备中的应用研究[J];天津理工大学学报;2008年06期

6 叶春洪;戴红旗;;静电纺丝纤维的研究及应用进展[J];纤维素科学与技术;2011年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 牟书香;聚酰亚胺表面功能化复合材料的制备及结构与性能研究[D];北京化工大学;2010年

，

本文编号：776309