表面改性对原子层沉积氧化铝复合隔膜的影响

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原子层沉积(ALD)是一种具有表面自限性的薄膜生长技术,可以在纳米范围内通过控制循环数,控制Al2O3的包覆量,从而提高聚烯烃膜的综合性能。聚烯烃膜表面无ALD氧化铝反应基团,造成ALD氧化铝生长成核慢,前期反应效率低,最终生长的氧化铝多形成团簇。为了增强原子层沉积氧化铝包覆聚乙烯膜(PE膜)的全覆盖薄膜生长,本研究将PE膜进行表面改性处理,然后进行ALD Al2O3改性,提高复合膜的综合性能,主要内容如下:(1)使用不同质量浓度的聚乙烯醇(PVA)溶液涂覆PE膜后进行ALD Al2O3改性,然后对制备的复合膜进行耐热收缩性能、厚度,截面SEM进行表征,确定合适的涂覆液浓度。然后通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、电感耦合发射光谱仪(ICP)等技术手段系统分析PVA表面改性对ALD Al2O3包覆PE膜性能指标的影响。结果表明,涂覆PVA可以简单有效地在PE膜上增加羟基(-OH)作为ALD反应位点。处理后的PE膜进行ALD Al2O3生长,前驱体进入反应腔室后与表面羟基进行反应,提高生长效率,纤维上均匀包覆氧化铝,无岛状生长的Al2O3团簇。涂覆PVA可以增强复合膜的耐热收缩性能,减少厚度增加,减轻机械结构的损坏。(2)聚偏氟乙烯(PVDF)中没有羟基这类可以和作为前驱体的三甲基铝(TMA)反应的官能团,进行探究性实验验证涂覆PVDF对原子层沉积反应的促进作用。结果表明,浸泡涂覆可以在PE膜纤维上形成一层PVDF覆盖层,避免ALD反应在纤维亚表面进行。PVDF是高分子聚合物,具有很强的范德华力,容易吸附前驱体均匀沉积进行ALD生长,从而在复合膜纤维上形成均匀的氧化铝包覆层。(3)对比研究浸泡涂覆聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)溶液和增加PVDF-HFP颗粒涂覆层两种改性方法对于原子层沉积氧化铝复合隔膜的影响,结果表明,PVDF-HFP是球形颗粒,和PE膜纤维上的接触面积较小,不易在PE膜纤维上形成完整涂覆层,并且易团聚留存在纤维之间的缝隙处。ALD Al2O3改性后的复合膜孔隙率下降,厚度和宽度增加较多。具有PVDF-HFP颗粒涂覆层的PE膜进行ALD Al2O3改性效果更好,可以在氧化铝包覆量较少的情况大幅度(4)提升复合膜的耐热收缩性能,该条件下,复合隔膜的厚度增加和孔隙率下降较小,电池可以正常充放电循环。经PVA、PVDF、PVDF-HFP表面改性处理的PE膜,ALD Al2O3改性后具有相对优异的性能,该材料的制备为ALD在聚烯烃膜的应用提供了基础。
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