基于氧化鋯纖維非織造骨架的鋰離子電池隔膜研究.pdf

1、鋰離子電池隔膜是電池中關鍵的內(nèi)層組件之一，決定了電池的容量、循環(huán)及電池壽命等性能。目前市場上的鋰離子電池隔膜多采用聚烯烴類微孔薄膜，雖然其機械性能好，但孔隙率低、吸液率低、熱穩(wěn)定性差。聚偏氟乙烯（PVDF）微孔膜因其高孔隙率和吸液率成為研究熱點，但其機械強度差、熔點低、易變形。基于這兩大類隔膜的缺陷，大部分的研究都集中以聚烯烴膜或PVDF微孔膜為基材，將無機顆粒（Al2O3、SiO2、ZrO2等）與基膜復合。但這種方法工藝復雜、成本高。

2、因此，本文提出并實施了一種新穎的無機纖維非織造結構制備鋰離子電池隔膜的工藝。研究了相轉化法PVDF聚合物微孔膜原材料的選擇， PVDF-HFP/ZrO2纖維膜的制備及性能研究，以及隔膜的電化學性能評價與測試，并且與商業(yè)隔膜Celgard2400及用相同工藝制備的75％PVDF-HFP/ZrO2粉末膜進行了對比，得出下列結論：
　?。?）研究不同濃度下PVDF均聚物和PVDF共聚物(PVDF-HFP)對微孔膜的結構與性能影響。結果表

3、明，兩者在一定范圍內(nèi)隨聚合物濃度的增加，機械強度增大，孔徑減少，孔隙率減小，吸液率減少。PVDF-HFP的機械強度、孔隙率、吸液率均優(yōu)于PVDF均聚物。
　　（2）制備PVDF-HFP/ZrO2微孔膜，研究發(fā)現(xiàn)，無論氧化鋯是以纖維還是粉末的形態(tài)，都能夠均勻的分散在 PVDF-HFP微孔膜中。隨著纖維比例的增加，微孔膜斷裂強力不斷增大，且薄膜經(jīng)過電解液浸潤后的濕態(tài)力學性能優(yōu)于干態(tài)。
　?。?）與 Celgard2400相比，P

4、VDF-HFP/ZrO2纖維膜具有優(yōu)異的電解液潤濕性和熱穩(wěn)定性。75%ZrO2纖維膜的浸液高度約為Celgard2400的4倍；電解液滴在纖維膜表面迅速擴散完全鋪展，在Celgard2400表面幾乎成球狀；纖維膜的質(zhì)量在450℃無明顯變化，而 Celgard2400在400℃開始急劇分解，在495℃時幾乎完全分解；75%纖維膜在高溫烘箱中縱橫向沒有收縮現(xiàn)象，Celgard2400在160℃橫向開始收縮，在170℃急劇收縮。纖維膜在明火中

5、燃燒表現(xiàn)出良好的阻燃性， Celgard2400碰觸到明火迅速收縮成球狀。與75%PVDF-HFP/ZrO2粉末微孔膜相比，75%PVDF-HFP/ZrO2纖維微孔膜表現(xiàn)出優(yōu)良的力學性能和結構穩(wěn)定性。75%PVDF-HFP/ZrO2纖維膜的斷裂強力遠高于5%粉末膜，且粉末膜表面存在粉末易散落的現(xiàn)象。無論是在電解液中還是在明火中，纖維能夠為微孔膜提供良好的結構穩(wěn)定性，相反，粉末膜在電解液中易卷曲，明火中易散落失去穩(wěn)定結構。
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6、）PVDF-HFP/ZrO2膜的界面阻值均小于Celgard2400。隨著微孔膜中纖維比例的增加，電池的界面阻抗逐漸減小，離子電導率逐漸增大。在0.2C下充放電循環(huán)50次后，75%ZrO2纖維膜組裝的電池容量保持率（93%）比Celgard2400高3%，比75%ZrO2粉末膜高出45%。在倍率性能中，75%ZrO2粉末膜電池在8C時的容量保持率僅在24%，遠低與Celgard2400（35%）和75%ZrO2纖維膜（38%）。75%纖

7、維膜具有最大的能量密度，說明纖維對于維持微孔膜的結構形態(tài)具有重要作用。
　?。?）PVDF-HFP/ZrO2纖維膜和Celgard2400組裝成電池在60℃下的首次充放電曲線、循環(huán)性能和倍率性能均無明顯差異,而75%ZrO2粉末膜組裝的電池在60℃循環(huán)性能和倍率性能均比常溫下略差，進一步證明了氧化鋯以纖維的形式添加更加有利于高溫化學性能穩(wěn)定性。用Celgard2400組裝的電池在140℃下的OCV不到10分鐘電壓迅速降到2.39V