【摘 要】
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作为锂离子电池最为重要的部件之一,隔膜利润高达70%,而国内85%以上的隔膜依赖进口,每年近10亿元的市场被国外厂商垄断。目前采用单/双向拉伸技术制备的聚烯烃类隔膜依然存在孔隙
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作为锂离子电池最为重要的部件之一,隔膜利润高达70%,而国内85%以上的隔膜依赖进口,每年近10亿元的市场被国外厂商垄断。目前采用单/双向拉伸技术制备的聚烯烃类隔膜依然存在孔隙率过低、不适于大功率放电、容易形成锂结晶、不具备高温热闭孔等安全保护性能的缺点。静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有极高的孔隙率,微米级的曲折孔及均匀的孔径分布,原料可选性高,已成为目前锂离子电池隔膜研究领域的热点。 本文研究了静电纺基础理论中射流所带电荷来源及其作用机理,并将这些研究用于指导制备性能优异的增强静电纺纳米纤维锂离子电池隔膜,包括以下几个方面:(1)采用逆向电场电纺丝装置、电液分离式电纺丝装置等研究静电纺射流产生的原因和射流所带电荷的来源,采用高速摄像及SEM等研究手段,探讨电纺丝过程中电放射流弛豫时间与电纺丝装置、电荷密度的关系,及其对静电纺丝产品结构性能的影响;(2)通过后处理增强多针头交叉混合静电纺丝技术制备纳米纤维膜的研究,包括PAN/PVDF、PAN/PVDF-HFP及PVDF/PVDF-HFP复合增强纳米纤维膜的制备和物理性能研究;(3)PAN/PVDF、PAN/PVDF-HFP及PVDF/PVDF-HFP复合增强纳米纤维膜应用于锂离子电池隔膜领域的相关性能研究,包括物理性能、电化学性能和电池性能研究。 本文的研究表明,静电纺射流所带电荷来源于溶液的电离,静电纺丝射流可以由多种不同原理的装置产生,静电纺过程中剩余溶液的荷电性质是在不断地变化的,且这种变化对静电纺丝产品的形貌有重要影响;针头交叉混合静电纺丝技术制备纳米纤维膜并通过后处理增强后,PAN/PVDF、PAN/PVDF-HFP及PVDF/PVDF-HFP复合增强纳米纤维膜较普通纳米纤维膜,强度提高了数倍,分别达到了22.3MPa、18.6MPa、28.4MPa,同时保留了优良的孔隙率;应用于锂离子电池隔膜,复合增强纳米纤维膜较普通聚烯烃类隔膜(CELGARD2400、CELGARD2325及旭化成双拉伸膜)具有更高的离子电导率、更低的界面阻抗、更高的电化学稳定窗口以及更为优异的比容量和倍率性能。
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