【摘要】：當(dāng)前,可充電的鋰離子二次電池(LIBs)由于具有高能量/功率密度、長循環(huán)壽命,無記憶效應(yīng)等特點,已經(jīng)成為現(xiàn)有的能源儲備技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)備不可或缺的重要部分,通常多用于各種便攜式電子設(shè)備,如筆記本電腦和手機等。最近,在電動汽車、電動自行車和電動工具等領(lǐng)域也開始應(yīng)用。隔膜作為鋰離子電池的重要組成部分,可以將鋰離子電池陽極和陰極物理分隔開來,從而達(dá)到避免電池內(nèi)部短路的基本要求,與此同時允許電解液中的鋰離子自由穿梭遷移,并阻止電子穿透隔膜。目前,通過干法過程或濕法過程制備的多微孔聚烯烴隔膜,如聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)由于其優(yōu)異的機械強度和穩(wěn)定的化學(xué)性而得到廣泛應(yīng)用。然而,聚烯烴隔膜的耐高溫性差、孔隙率低和對電解液的潤濕保液性差等問題影響了其在高比能動力鋰離子電池中的應(yīng)用。因此,選擇適合動力鋰離子電池的隔膜材料對于保證電池的容量發(fā)揮、穩(wěn)定性和安全性是非常重要的。靜電紡絲技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展起來的一種新的制膜技術(shù),它是通過高壓電場作用于高分子溶液或者熔融狀態(tài)的高分子,在接收板上形成納米纖維膜。這種膜具有3D的空間結(jié)構(gòu),因而比表面積大、孔隙率和吸液保液率高。本論文嘗試用靜電紡絲法,設(shè)計全新的鋰離子電池隔膜,并對其物理和電化學(xué)性能進(jìn)行表征。具體的實驗內(nèi)容如下:1.采用耐高溫的聚丙烯腈(PAN)為內(nèi)芯核層材料、高親液性質(zhì)的聚偏氟乙烯六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)為外部殼層材料,通過靜電紡絲工藝制備具有核殼結(jié)構(gòu)的紡絲隔膜。結(jié)果表明,紡絲膜在親液性、孔隙率、耐熱性、離子電導(dǎo)率和電化學(xué)窗口等方面,都優(yōu)于PE膜。采用這種隔膜組裝成的磷酸鐵鋰扣式電池在0.1C倍率下充放電100次后,電池放電比容量從159.4 mAh g~(-1)降到158.4 mAh g~(-1),容量保持率高達(dá)99.4%,同樣條件下,采用PE隔膜組裝的電池容量保持率僅為96.2%。在10C時,由PAN@PVDF-HFP隔膜組裝的電池放電比容量比PE隔膜的高約43.4%。2.采用靜電紡絲工藝,制備了PAN/BM復(fù)合纖維隔膜。物理和電化學(xué)測試結(jié)果表明:摻入了勃姆石的PAN納米纖維膜與純的PAN膜相比,改善了隔膜的親液性,提高了鋰離子電導(dǎo)率,擴大了隔膜的電化學(xué)工作窗口�！そM裝成磷酸鐵鋰扣式電池,在10 C條件下,采用PAN/BM膜的電池其放電比容量比純的PAN高25%。3.采用靜電紡絲方法制備了PVDF-HFP/BM復(fù)合膜。物理和電化學(xué)測試結(jié)果表明:以純的PVDF-HFP作為對比樣,組裝CR2032型鋰硫電池,發(fā)現(xiàn)PVDF-HFP/BM紡絲復(fù)合膜有比較好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性測試過程中,經(jīng)過200次0.2C循環(huán),純的PVDF-HFP的放電比容量為274.6 mAh g~(-1),而PVDF-HFP/BM復(fù)合隔膜的放電比容量為388.4 mAh g~(-1),比純的PVDF-HFP高41%。在進(jìn)行倍率性能循環(huán)測試時候,倍率選擇為4C時,復(fù)合隔膜的放電比容量為89.7 mAh g~(-1),而純的PVDF-HFP隔膜的放電比容量為44.6 mAh g~(-1)。
【圖文】：

圖 1-1 不同電池能量密度對比[9]Fig.1-1 Energy density comparison of the different battery technologies表 1-1 各類蓄電池性能對比Table 1-1. Performance comparison of various batteries.電池種類 鎳鎘電池 鎳氫電池 鉛酸電池 鋰離子電池工作電壓(V) 1.25 1.25 2 3.6使用壽命 300-600 300-700 300-500 500-2000環(huán)境影響 鎘污染 輕 鉛污染 輕過充承受能力中等 低 高 高月自放電率20% 30% 5% 5%

圖 1-2. 鋰離子電池充放電示意圖[4]Fig. 1-2. Schematic representation of charge/discharge for lithium ion battery電化學(xué)表達(dá)式為：LiC6|LiPF6  EC + DEC | LiCoO2反應(yīng)方程式為：負(fù)極：6C + xLi++ xe- LixC6正極：LiCoO2 Li1-xCoO2+ xLi++ xe-總反應(yīng)：LiCoO2+ 6C Li1-xCoO2+ LixC6當(dāng)對鋰離子電池進(jìn)行充電的時候,電池正極上的電子 e-從通過外部電路運動到電池負(fù)極上,與此同時 Li+離子從正極擴散到電解液里，穿過隔膜表面積內(nèi)部褶皺彎曲的隔膜孔，擴散到達(dá)負(fù)極，與早就移動來的電子相結(jié)合在一起。當(dāng)鋰離子電池在放電的時候，機制與充電的時候剛好是完全相反。在整個鋰離子電池的充放電循環(huán)過程中，鋰離子先后經(jīng)歷了從正極到達(dá)負(fù)極，，再從負(fù)極重新再回到正極。這個過程就如同一把搖椅，搖椅
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM912

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本文編號：2597870