ZrO2/PET复合纤维隔膜与PET基锂离子电池隔膜的制备与性能研究
锂离子电池由于其高能量密度和长循环寿命已经作为高效的能源储存系统，在便携式的电子产品和电动汽车等方面得到了快速的发展。其中，电池隔膜作为电池关键组分之一，对电池性能也有一定的影响，在电池中也扮演着举足轻重的角色一隔离正负极防止电池短路，同时隔膜上的多孔结构可以吸附电解液并为锂离子在正负极之间的移动提供可能。在当前研究中增加锂离子电池的安全性和能量密度是重中之重，所以如何从隔膜的角度来提升电池的安全性能和电化学性能也是本文所需要深入探究的问题。 本文分别制备了以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和氧化锆纤维(ZrO2)两种物质为基材的PET-ZrO2复合无纺布纤维膜，并探究不同基材对锂离子电池隔膜的性能和其组装的电池性能的影响;与此同时还在PET纤维的基础上引入了聚多巴胺(PDA)粒子，制备了PET-PDA复合纤维膜，探究了不同比例的PDA粒子对PET-PDA复合纤维膜作为电池隔膜的性能及其组装的电池性能的影响。对复合纤维隔膜的表面形态、力学性能、热稳定性、电解液润湿性和柔韧性等物理性能以及其电池循环性能、倍率性能、阻抗等电化学性能进行了研究，同时将复合纤维隔膜与商业应用的聚烯烃隔膜性能进行比较，总结出其优势与不足之处。通过以上探究，旨在得到一种制备工艺简单、安全性高且电池性能优异的高性能的锂离子电池隔膜。本文探究的主题包括以下三个部分: (1)以PET粉末和多巴胺盐酸盐(HDA)为原材料，使用静电纺丝的方法制备PET-HDA复合纤维膜，经过原位生长得到PET-PDA复合纤维膜。通过改变加入到纺丝液中HDA粒子的比例从而控制所制备的PET-PDA复合纤维表面PDA的厚度。研究了加入不同比例的HDA粒子对PET-PDA复合纤维膜的隔膜性能及电池性能的影响。结果表明:经过HDA粒子改性的PET纤维具有优异的亲水性，PET-PDA复合纤维膜的接触角为0°(PET纤维膜的接触角134.1°)。分别对比了加入2.5％、5.0％、10％、20％的HDA粒子的复合纤维隔膜，综合来说PET-2.5％PDA复合纤维隔膜具有相对良好的电池性能。其中，在200℃下的热收缩率为9.75％(PP隔膜为100％)，离子电导率为0.5350mS·cm-1(PP隔膜为0.2793mS·cm-1)，组装成的电池在电池的循环性能及倍率性能方面也表现出了良好的优势。 (2)以PET粉末和ZrO2短纤维为原材料，将ZrO2短纤维加入到PET的纺丝液中，使用静电纺丝法制备了具有串珠结构的PET@ZrO2复合纤维膜。探究加入不同比例的ZrO2短纤维对复合纤维膜热稳定性、拉伸强度及所组装电池的性能影响。研究结果表明:随着加入的ZrO2短纤维数量的增多，PET@ZrO2复合纤维膜中的串珠结构不断增加，复合纤维膜的热稳定性也在不断提升。PET@2.0ZrO2复合纤维膜在250℃的热收缩率为1.24％。综合对比加入不同比例的ZrO2短纤维的复合纤维膜，短纤维的质量比为1∶0.5的PET@0.5ZrO2复合纤维膜具有相对最优性能。电解液吸收率可达282.3％(PP隔膜为111.5％)，拉伸强度为15.01MPa，离子电导率为0.765mS·cm-1。相比于商业PP膜，PET@2.0ZrO2复合纤维隔膜具有较好的电池循环性能和倍率性能。 (3)以ZrO2纤维为基底，PET溶液为胶黏剂，使用造纸法制备ZrO2-PET复合纤维膜。探究了不同浓度的PET溶液作为胶黏剂对复合纤维膜的表面孔结构、拉伸强度、热稳定性以及电池性能的影响。结果表明，随着PET溶液浓度的增加，复合纤维膜的强度随之提升，从0.5MPa提升到了5.5MPa。同时，ZrO2-PET复合纤维膜热稳定性优异，在300℃下的热收缩率为0％(PP隔膜为100％)。综合对比加入不同浓度的PET溶液的复合纤维膜，其中加入5％PET溶液的PTZ5复合纤维隔膜具有相对较好的电池性能。电解液吸收率高达301.8％，在常温下，PTZ5复合纤维隔膜具有良好的循环性能和倍率性能，在前100个循环中保持100％的容量保持率和库伦效率。在60℃下循环25次后，PTZ5复合纤维隔膜的放电比容量相对于PP隔膜高出26mAh/g，相对比下更适合高温下使用。
锂离子电池;纳米纤维膜;电池隔膜;聚对苯二甲酸乙二醇酯;氧化锆纤维
山东大学
硕士
材料物理与化学
张光辉
2021
中文
TM912.9
2021-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）