PEI/PVDF同轴纤维基锂离子电池隔膜的制备及性能研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jizhe621
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聚烯烃类隔膜热稳定性差、电解液亲和性差、孔隙率低,严重影响电池的安全性能及倍率与循环性能,而电纺纤维膜由于比表面积大、孔隙率高,组成可控性高等优势而被用于新型锂离子电池隔膜研究中,但电纺纤维膜是由纤维随机堆砌而成,纤维间几乎没有结合力,致使其力学性能较差;此外,电池发生热失控引起着火或爆炸的安全问题是限制动力锂离子电池发展关键因素,解决锂离子电池的热失控问题,是当前研究人员关注的重点。本文针对上述两个问题,采用静电纺丝技术制备同轴锂离子电池隔膜,对其改性来提高力学性能,并尝试在同轴纤维膜表面涂敷功能微球赋予其自主热关闭功能,有效防止热失控发生。首先通过静电纺丝技术制备了具有芯壳结构的同轴纤维膜,其中聚偏氟乙烯(PVDF)为壳层,聚醚酰亚胺(PEI)为芯层,然后采用热压技术对其进行热压处理,探讨合适的热压参数,测试其力学性能,发现热压之后同轴纤维膜的力学性能大幅提高,断裂强度提高近4-6倍,0.08MPa、170℃时,同轴纤维膜断裂强度为11.49MPa,是未热压处理的4倍;根据吸液率与孔隙率测及电化学性能测试结果,最终选取最为合适的热压参数为0.08MPa、170℃;采用0.08MPa、170℃热压处理的隔膜组装电池,测试结果表明,其倍率性能与循环性能均优于商用隔膜,在0.5C下,循环100次后的放电比容量为138.2m Ah·g-1,容量保持率为90%,说明热压处理后的同轴隔膜在不损害其电池性能的前提下,大幅提高了其力学性能。采用溶剂蒸发法制备PE微球,采用红外、XRD、SEM及DSC对其进行结构表征,结果显示,PE微球呈现规则球形,尺寸分布较窄,平均直径约为7μm,在制备过程中结晶度由16.3%增加到29.9%,PE微球熔点约为115℃,为热关断处理温度提供依据;把PE微球单面涂敷到PVDF/PEI同轴隔膜上,探讨不同覆盖率对隔膜性能的影响,并对其进行性能测试,结果表明:涂敷PE微球后,对同轴隔膜的吸液率及保液率并未产生明显的负面影响,涂敷率增加,PE-同轴隔膜吸液率增加,但其保液率相应下降;通过线性扫描伏安测试及交流阻抗测试发现:涂敷率不同的PE同轴隔膜电化学窗口与未涂敷之前几乎无差别均接近5V,常温下,其本体电阻保持在4Ω以下,说明涂敷微球未对其电化学性能产生不良影响,高温时,当涂敷率大于6mg/cm2,PE-同轴隔膜本体电阻增加三个数量级,可判定PE-同轴隔膜可以实现自主热关闭功能。当涂敷率为11.4mg/cm2时,3min内其放电电压迅速降为设定值,放电电流降为0,成功实现热关闭功能。
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