【摘要】：鋰離子電池憑借其便攜性、高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于電動(dòng)汽車和電子產(chǎn)品中。隔膜作為鋰離子電池的重要組成部件,對(duì)電池的安全性能、放電容量和電池壽命等有重要的影響。目前商業(yè)化應(yīng)用的電池隔膜主要是聚烯烴材料。聚烯烴材料憑借其高的機(jī)械強(qiáng)度、合適的電化學(xué)穩(wěn)定性和低的成本而被廣泛應(yīng)用。由于其疏水表面,聚烯烴隔膜對(duì)傳統(tǒng)電解液的可濕性比較差,這導(dǎo)致了電池差的電化學(xué)性能。特別是當(dāng)溫度升高時(shí),聚烯烴隔膜因?yàn)闀?huì)發(fā)生嚴(yán)重的熱收縮,使電池的正負(fù)極接觸,從而導(dǎo)致爆炸或者是火災(zāi)。氧化鋯纖維具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性能和對(duì)電解液良好的浸潤(rùn)性,是一種作為電池隔膜的理想材料。因此,本論文提出并研究了運(yùn)用抄造紙技術(shù)抄造氧化鋯纖維紙鋰離子電池隔膜及性能。首先研究了氧化鋯纖維的自身性能,然后對(duì)氧化鋯纖維分散效果和氧化鋯纖維紙強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了分析,并分別對(duì)ZrO2/PVDF(聚偏氟乙烯)纖維紙和ZrO2/玄武巖纖維紙?jiān)陔姵馗裟し矫娴男阅苓M(jìn)行了探究。主要的研究結(jié)論如下:1.研究了由靜電紡絲技術(shù)制備的氧化鋯纖維自身性能,結(jié)果表明,氧化錯(cuò)纖維在溫度和濕度分別為25 ℃和65%的條件下,其吸水率為4.27%,在水中的Zeta電位為-25.85 mV,纖維呈圓柱形,且表面光滑,在經(jīng)過酸堿溶液處理后,纖維表面形貌沒有發(fā)生任何變化,證明氧化鋯纖維具有優(yōu)異的耐酸堿腐蝕的能力。2.研究了氧化鋯纖維經(jīng)不同工藝處理和采用不同的分散劑以及膠黏劑后對(duì)纖維分散效果以及纖維紙強(qiáng)度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),懸浮液漿濃為0.2%,疏解轉(zhuǎn)數(shù)為20000時(shí),得到的氧化鋯纖維分散效果最好;濃度為2%的聚氧化乙烯對(duì)纖維的分散效果最好。PVDF做膠黏劑時(shí)制備的氧化鋯纖維紙強(qiáng)度可以達(dá)到4 MPa,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于用PVA(聚乙烯醇)做膠黏劑制備的纖維紙;氧化鋯與玄武巖復(fù)合的纖維紙擁有較高的強(qiáng)度,在高溫下使用時(shí),ZrO2/玄武巖纖維紙能夠保持強(qiáng)度。3.采用抄造紙技術(shù)制備ZrO2/PVDF纖維紙,通過改變纖維懸浮液中PVDF的濃度,抄造出不同PVDF含量的氧化鋯纖維紙,考察它們的表面形貌、孔隙率、電解液吸收率、拉伸強(qiáng)度和XRD圖譜。選取PVDF含量是40%時(shí)ZrO2/PVDF纖維紙,考察其隔膜性能。結(jié)果表明,PVDF含量是40%時(shí),氧化鋯纖維紙中孔的形貌最好,數(shù)量最多而且分布也最均勻。孔隙率和電解液吸收率測(cè)試也表明ZrO2-40%PVDF纖維紙擁有最高的孔隙率和電解液吸收率,分別是77.69%和523.3%,纖維紙中PVDF是無定形態(tài),這有助于提高纖維紙對(duì)電解液的浸潤(rùn)性,ZrO2-40%PVDF纖維紙柔韌性比較好,拉伸強(qiáng)度為4.7MPa,與電解液的接觸角僅為0°,能夠幫助隔膜貯存更多的電解液,提高電池的電化學(xué)性能,ZrO2-40%PVDF纖維紙?jiān)?00 ℃時(shí)的熱收縮為零,氧化鋯纖維紙能夠大大提高鋰離子電池的安全性能,改善電池在高溫下的使用情況。ZrO2-40%PVDF纖維紙的氧化分解電壓為4.8 V,離子電導(dǎo)率則為0.96mScm-1,初始放電比容量和100個(gè)循環(huán)后的容量保持率為134 mA h g-1和89.6%,高于PP隔膜的129.9 mA h g-1和84.5%,具有更好的循環(huán)性能;ZrO2-40%PVDF纖維紙?jiān)诓煌堵氏碌姆烹娦阅芤惨黠@優(yōu)于PP(聚丙烯)隔膜。4.通過紙張抄造技術(shù)制備ZrO2/玄武巖纖維紙,制備出玄武巖纖維含量不同的ZrO2/玄武巖纖維紙。測(cè)試玄武巖纖維含量不同時(shí)ZrO2/玄武巖纖維紙的拉伸強(qiáng)度,選取滿足隔膜強(qiáng)度要求的纖維紙進(jìn)行電池隔膜性能測(cè)試。結(jié)果表明,玄武巖纖維添加量為50%時(shí),纖維紙的強(qiáng)度達(dá)到2.4 MPa,滿足電池對(duì)隔膜的機(jī)械應(yīng)力要求;ZrO2/玄武巖纖維紙中,氧化鋯纖維和玄武巖纖維在纖維紙中分散均勻,纖維分布有層次感,纖維紙含有較大的孔徑,可以提高隔膜的孔隙率和阻止鋰枝晶生長(zhǎng),其孔隙率和電解液吸收率分別是80.36%和594.65%,PP僅有46.78%和114.29%,表明ZrO2/玄武巖纖維紙具有更大的孔隙率和吸液率,這有利于提高電池的放電性能。經(jīng)過耐熱性測(cè)試,ZrO2/玄武巖纖維紙?jiān)?00 ℃時(shí)沒有發(fā)生任何的尺寸改變,而PP隔膜在150 ℃時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的收縮,不能正常隔離正負(fù)極,ZrO2/玄武巖纖維紙則能很好的隔離,提高鋰離子電池的安全性能。ZrO2/玄武巖纖維紙的氧化分解電壓為4.7 V,離子電導(dǎo)率為0.82 mScm-1,初始放電比容量和100個(gè)循環(huán)后容量保持率為133.1 mAh g-1和92.3%,高于PP隔膜的129.9 mAh g-1和84.5%,具有更好的循環(huán)性能;ZrO2/玄武巖纖維紙?jiān)诓煌堵氏碌姆烹娦阅芤惨黠@優(yōu)于PP隔膜,因此在高溫度和大電流條件下使用時(shí)擁有更好的前景。
【圖文】：

從而完成充放電［１９］。逡逑１．２．２鋰離子電池工作原理逡逑圖１－１是鋰離子電池的工作原理和結(jié)構(gòu)圖。充電時(shí)（圖１－１左半部分），逡逑在電池內(nèi)部鋰離子從正極材料中脫出穿過隔膜嵌入負(fù)極間隙，在外電路電子從逡逑正極到達(dá)負(fù)極來保持電荷平衡，在此過程中電能被轉(zhuǎn)化成化學(xué)能；放電時(shí)（圖逡逑１－１右半部分），在電池內(nèi)部鋰離子從負(fù)極材料中脫出嵌入正極間隙，，外電路中逡逑電子從負(fù)極流向正極，化學(xué)能被轉(zhuǎn)化成電能。逡逑充電器邐銀Ｍ逡逑邐１｜邐邋邐ＪＷＶ，邐逡逑電淹邐＊■邐－電逋逡逑楙邋？祺邐ｆｔ邋４５邐ＳｉＰ逡逑邐？．一邐１邐邐邐邐逡逑Ｉ邐ｍＭｍ邐Ｉ逡逑ｍ邋＾邐＊－．．．．．．邋？邐？邐？邐？：．．．．．．．．＊－邐ｍｍ逡逑ｍｍｍａ邐｜邐Ｌｌ＋邐ｍｍｍ邐Ｌｌ＂邐｜逡逑？邐？邋－—＿邋電修邐vq電邋ｍ邐？逡逑｜邐餑邐２＾３２５３邐Ｍｉ邐｜邐｜逡逑？邐？邐＿邐”|r．．．．．．．．＿邐＿＿逡逑ｍｍｍ邐｜邐ｗｍｍ邐ｗｍｍｍ邐丨逡逑免電邐放ｍ逡逑圖１－１鋰離子電池的工作原理和結(jié)構(gòu)圖［２１］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙ逡逑１．３鋰離子電池隔膜逡逑隔膜作為鋰離子電池的重要組件，占整個(gè)電池成本的３０％左右。隔膜的主逡逑要作用是將電池的正極和負(fù)極分隔以及對(duì)電子絕緣，防止正負(fù)極直接接觸或發(fā)逡逑生電子傳導(dǎo)導(dǎo)致電池發(fā)生短路。其次

２．３．１氧化鋯纖維吸水率測(cè)定逡逑本實(shí)驗(yàn)中將氧化鋯纖維置于濕度為６５％的密閉環(huán)境中，考察纖維對(duì)水的吸逡逑收能力，得到的結(jié)果如圖２－１所示。逡逑５－．邐逡逑４逡逑\l一邋■一■一■一■邐■邐■一邋■邋邋■逡逑＾４－邐／逡逑Ｉ＇邋／逡逑＾邋３－邋Ｚ逡逑ｉ邋＿邋／逡逑�。玻哄澹义希В骸觯义希斑姡玻板澹矗板澹叮板澹福板澹保埃板澹保玻板澹保矗板澹保叮板澹保福板澹玻埃板义希裕椋恚邋澹ǎ恚椋睿╁义蠄D２－１氧化鋯纖維吸水率與時(shí)間關(guān)系曲線逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｒｅｌａｔｉｏｎ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｚｉｒｃｏｎｉａ邋ｆｉｂｅｒｓ邋ａｎｄ邋ｔｉｍｅ．逡逑１２逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM912;TS761.2

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本文編號(hào)：2627880