【摘要】：鋰離子電池中的隔膜作為一種絕緣材料,其主要作用是防止正負極材料接觸而導致短路,是保證電池安全的重要部件之一。盡管隔膜本身不參與任何電極反應,但是隔膜的厚度、原料和微孔數(shù)量等特性都會顯著影響鋰離子通過隔膜的速率,進而影響鋰離子電池的充放電性能和安全性等性能。本論文采用相分離與熔融靜電紡絲的方法制備β-PVDF納米纖維膜;使用磁控濺射在PVDF纖維膜表面沉積SiO_2、Al_2O_3納米陶瓷顆粒,以改善隔膜的電解液親和性、熱穩(wěn)定性、電化學穩(wěn)定性和充放電性能。首先,本課題選取聚偏氟乙烯(PVDF)為分散相,聚乳酸(PLA)為連續(xù)相,使用螺桿擠出機制備PVDF/PLA共混母粒。通過正交試驗研究時間、組分比、溫度對分散相(PVDF)尺寸的影響,由極差分析得到最佳實驗條件:時間8 min、組分比2/8、溫度180°C,從而使分散相尺寸最小,與實驗中的最優(yōu)條件相一致。經(jīng)過相分離型熔融靜電紡技術,成功制得直徑為223 nm的PVDF納米纖維膜。通過FTIR和XRD分析可知,在溫度場、靜電場和PLA中極性鍵的共同誘導下,PVDF中β相含量增加,從而促進了鋰鹽解離,有利于鋰離子的傳輸。然后,以熔融靜電紡制備的純PVDF纖維膜和三種商業(yè)隔膜(PP、PE、PP/PE/PP)為參比隔膜,研究了PVDF納米纖維膜的表面形貌、電解液親和性、電化學性能和電池性能。結(jié)果顯示,PVDF納米纖維膜的電解液親和性較強,接觸角為26.1°,吸液率為427.76%,離子電導率為1.218 mS/cm,與商業(yè)隔膜PP/PE/PP(0.201 mS/cm)相比提高了6倍左右;界面電阻僅為75.9Ω,遠小于商業(yè)隔膜PP/PE/PP的319.7Ω。100次充放電循環(huán)后,PVDF納米纖維膜的比容量為84.0%,優(yōu)于商業(yè)隔膜(65.2%)。最后,通過磁控濺射技術在PVDF納米纖維兩側(cè)沉積SiO_2和Al_2O_3納米顆粒制備SiO_2/Al_2O_3/PVDF、SiO_2/PVDF、Al_2O_3/PVDF三種陶瓷復合隔膜。研究了磁控濺射前后隔膜材料的表面成分及形貌變化、比表面積、接觸角、熱穩(wěn)定性、電化學性能,并對裝配該復合隔膜的電池進行電池性能測試以及高溫性能測試。結(jié)果表明,兩種陶瓷納米顆粒能夠均勻沉積在PVDF納米纖維膜表面,且隔膜仍保持較高的孔隙率。三種陶瓷復合隔膜中,SiO_2/Al_2O_3/PVDF復合膜的綜合性能最優(yōu),其電解液接觸角僅為16.0°,吸液率可達468.46%;離子電導率高達1.551 mS/cm,界面阻抗僅為47.3Ω,分解電壓5.5 V,均優(yōu)于未改性的PVDF納米纖維膜。充放電循環(huán)100次后,SiO_2/Al_2O_3/PVDF比容量保持率高達86.45%。進行高溫性能測試時,SiO_2/Al_2O_3/PVDF表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)隔膜的界面穩(wěn)定性,并能保持較高的容量保持率。
【圖文】：

表 1-1 陶瓷復合隔膜的性能Tab.1-1 Properties of inorganic composite separators方法 基材 粘結(jié)劑 陶瓷顆粒Gurley numbe（sec /100 mL處理前 處理涂覆 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濺射 PE --- Al2O358 100離子電池隔膜改性的方法主要為涂覆法，然而為了將陶瓷粘結(jié)劑會導致隔膜的厚度和重量增加較多，增加了電池的而且過多的粘合劑也會堵塞隔膜中的孔隙，使隔膜界面阻于高存儲鋰電池的開發(fā)（如表 1-1 所示）。更嚴重的是，高溫下顯示出高收縮率，導致顆粒從隔膜脫落并影響成膜

第二章 β 相 PVDF 纖維膜的制備及物化性能研究混母粒微觀形貌表征過 SEM 觀察聚偏氟乙烯（PVDF）和聚乳酸（PLA）共混母粒截面的微樣品放于液氮中脆斷，并在樣品的橫截面噴金后進行測試。在九種實驗條粒粒徑采用 Nano Measurer 1.2 軟件進行測量。 相 PVDF 納米纖維膜的制備 PVDF/PLA 共混母粒放入自制的熔融靜電紡絲設備，制備 PVDF/PLA 纖選用的 3 個參數(shù)條件為：溫度（230 °C）、紡絲距離（4 cm）、電壓（20 PVDF/PLA 纖維膜利用三氯甲烷通過索氏提取除去 PLA，提取溫度為 6h。提取后使用乙醇和去離子水洗滌，再將提取后的纖維膜放在真空烘箱（0 °C）干燥 8 h 后置于熱壓機上（設置溫度為 80 °C）熱壓 5 min 得到 PV，記為 ME-ext PVDF。圖 2-1 為 ME-ext PVDF 納米纖維膜的制備示意圖
【學位授予單位】：江南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ342.94;TM912

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本文編號：2635858