锂离子电池耐高温PAN基复合隔膜的制备及其性能研究

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锂离子电池作为一种高效能源储存系统,经常处于外力、电化学反应和热传导等复杂工况下,易引发电池内部短路,从而导致热失控甚至爆炸等安全问题。隔膜作为锂离子电池的关键组件之一,起到隔绝正负极以避免发生短路的作用,同时允许Li+在电极之间传输。PP和PE等聚烯烃微孔材料是典型隔膜候选对象,其凭借优异的化学稳定性和力学性能而被广泛应用于商业锂离子电池中,但此类隔膜因较低的离子电导率和较差的耐热性使其在动力电池中广泛应用严重受限。基于隔膜的热稳定性和离子电导率问题,本论文以耐高温PAN为隔膜基底,通过静电纺丝和浸涂工艺对PAN进行了掺杂和涂覆改性研究。主要研究内容和结果如下:(1)采用静电纺丝法和机械辊压制备PAN/cellulose复合隔膜。以PAN材料为基底,掺杂耐高温的纤维素以增加隔膜的热稳定性,同时纤维素的添加也可削弱PAN聚合物链段之间的相互作用,提高隔膜的离子电导率。研究结果表明,纤维素含量为10 wt%的PAN/cellulose复合隔膜的综合性能最优,耐热温度高达210?C,而此温度下商业PP隔膜已完全熔化。与商业PP隔膜相比,PAN/cellulose(10%)复合隔膜/电解液体系具有较高的电化学氧化极限(5 V)和室温离子电导率(1.99 m S cm-1)。在0.5 C倍率下,PAN/cellulose(10%)复合隔膜组装的Li Fe PO4电池具有优异的放电比容量(160 m Ah g-1)和倍率性能。(2)采用静电纺丝法和浸涂工艺制备PAN/cellulose/PEO复合隔膜,此隔膜中以PAN/cellulose复合纤维膜作为耐高温支撑骨架,再对纤维膜进行PEO浸涂。高柔性的EO链段可有效提高Li+的传输能力,从而提高复合隔膜的离子电导率。浸涂PEO后,复合隔膜仍具有较高的热稳定性,在210?C下热处理30 min后仅发生2.22%的热收缩。PAN/cellulose/PEO复合隔膜/电解液体系的室温离子电导率(2.21 m S cm-1)是商业PP隔膜(0.144 m S cm-1)的15倍。在0.5 C倍率下,PAN/cellulose/PEO复合隔膜组装的Li Fe PO4电池具有164 m Ah g-1的高放电比容量,达到Li Fe PO4理论比容量的96.5%,在3 C倍率下的放电比容量为133 m Ah g-1,高于商业PP隔膜在0.5 C倍率下的放电比容量。
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