基于靜電紡纖維的先進鋰離子電池隔膜材料的研究.pdf

1、可充電鋰離子電池具有比能量大，工作電壓高，循環(huán)壽命長，無記憶效應(yīng)，安全性能好且能快速充放電等優(yōu)點，因此近年來成為新型電源技術(shù)研究的熱點。隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，在電池中起著隔離正、負(fù)電極并使電池內(nèi)的電子不能自由穿過，但允許電解液中的離子在正負(fù)電極間自由通過的作用。隔膜性能的優(yōu)劣決定電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等特性。性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。
　　 本論文主要研

2、究用靜電紡絲法制備和改性先進鋰離子電池隔膜材料，包括以下幾個部分的內(nèi)容：(1)用靜電紡絲和高溫固相反應(yīng)相結(jié)合的方法以及溶膠-凝膠法制備鈣鈦礦型鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米材料鋰鑭鈦氧化物L(fēng)LTO；(2)靜電紡鋰鑭鈦氧化物L(fēng)a0.55Li0.35TiO3(簡稱LLTO)/聚丙烯腈Polyacrylonitrile(簡稱PAN)復(fù)合纖維膜的制備及其電化學(xué)性能的研究；(3)靜電紡磷酸鋰鋁鈦Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(簡稱LATP)/P

3、AN復(fù)合纖維膜的制備及其電化學(xué)性能的研究；(4)靜電紡聚偏氟乙烯Polyvinylidene Fluoride(簡稱PVDF)纖維改性商用Celgard2400聚丙烯微孔隔膜的研究。
　　 本論文采用靜電紡絲和高溫固相反應(yīng)相結(jié)合的方法以及溶膠-凝膠法等兩種方法制備鈣鈦礦型鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米材料鋰鑭鈦氧化物L(fēng)LTO。將這兩種方法制備的鈣鈦礦型鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米材料鋰鑭鈦氧化物L(fēng)LTO的晶相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電導(dǎo)率等進行了對比。結(jié)

4、果發(fā)現(xiàn)，與靜電紡絲和高溫固相反應(yīng)相結(jié)合的方法相比，用溶膠-凝膠法合成樣品的X射線衍射(X-Ray Diffraction)圖譜的雜峰較少，樣品的顆粒均勻，有輕微的團聚現(xiàn)象，且具有較高的離子電導(dǎo)率，因此本課題選用溶膠-凝膠法制備鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米材料。
　　 用靜電紡絲法制備含不同鈣鈦礦型鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米顆粒鋰鑭鈦氧化物L(fēng)LTO質(zhì)量百分比(0％、5％、10％和15％)的LLTO/PAN復(fù)合纖維膜。測試了靜電紡LLTO/PAN

5、復(fù)合纖維膜的電解液吸液率，發(fā)現(xiàn)隨著鈣鈦礦型鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米顆粒鋰鑭鈦氧化物L(fēng)LTO含量的增加，靜電紡LLTO/PAN復(fù)合纖維膜的電解液吸液率略微增加。對電解液浸潤的靜電紡LLTO/PAN復(fù)合纖維膜的鋰離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定窗口以及與金屬鋰電極的界面阻抗進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著鈣鈦礦型鋰快離子導(dǎo)體納米陶瓷顆粒鋰鑭鈦氧化物L(fēng)LTO質(zhì)量百分含量的增加，電解液浸潤的靜電紡LLTO/PAN復(fù)合纖維膜的鋰離子電導(dǎo)率增加，電化學(xué)穩(wěn)定窗口增大，與金

6、屬鋰電極的界面阻抗降低。分別用含鈣鈦礦型鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米顆粒鋰鑭鈦氧化物L(fēng)LTO質(zhì)量百分比為10％的靜電紡LLTO/PAN復(fù)合纖維膜、靜電紡PAN纖維膜和商用Celgard2400聚烯烴微孔膜作隔膜，以磷酸鐵鋰LiFePO4為正極，金屬鋰為負(fù)極制備鋰離子電池，并測試了制備電池的充放電性能和循環(huán)性能。結(jié)果表明，含鈣鈦礦型鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米顆粒鋰鑭鈦氧化物L(fēng)LTO質(zhì)量百分比為10％的靜電紡LLTO/PAN復(fù)合纖維膜的電池與其他鋰離子電

7、池相比，具有較高的首周充放電容量和穩(wěn)定的循環(huán)性能。
　　 用溶膠-凝膠法制備鈉超離子導(dǎo)體型Na Super Ionic Conductor(簡稱NASICON)鋰快離子導(dǎo)體納米陶瓷顆粒磷酸鋰鋁鈦Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(簡稱LATP)并用靜電紡絲法制備含不同NASICON型鋰快離子導(dǎo)體納米陶瓷顆粒磷酸鋰鋁鈦LATP質(zhì)量百分比(0％、5％、10％和15％)的LATP/PAN復(fù)合纖維膜。測試了靜電紡LATP/PAN

8、復(fù)合纖維膜的電解液吸液率，發(fā)現(xiàn)隨著NASICON型鋰快離子導(dǎo)體陶瓷納米顆粒磷酸鋰鋁鈦LATP含量的增加，靜電紡LATP/PAN復(fù)合纖維膜的電解液吸液率略有增加。通過對電解液浸潤的靜電紡LATP/PAN復(fù)合纖維膜的鋰離子電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定窗口以及與金屬鋰電極的界面阻抗的研究，結(jié)果表明隨著NASICON型鋰快離子導(dǎo)體納米陶瓷顆粒磷酸鋰鋁鈦LATP質(zhì)量百分含量的增加，電解液浸潤的靜電紡LATP/PAN復(fù)合纖維膜的鋰離子電導(dǎo)率增加，電化學(xué)穩(wěn)定窗

9、口增大，與金屬鋰電極的界面阻抗降低。用磷酸鐵鋰LiFePO4作正極，金屬鋰片作負(fù)極，分別用含質(zhì)量百分比為15％的磷酸鋰鋁鈦LATP靜電紡LATP/PAN復(fù)合纖維膜，靜電紡PAN纖維膜和商用Celgard2400聚丙烯微孔膜作隔膜制備鋰離子電池，并對制備的鋰離子電池的充放電性能和循環(huán)性能進行測試，結(jié)果表明含質(zhì)量百分比為15％的NASICON型鋰快離子導(dǎo)體納米陶瓷顆粒磷酸鋰鋁鈦LATP靜電紡LATP/PAN復(fù)合纖維膜的電池較其他電池具有較高

10、的首周充放電容量和良好的循環(huán)性能。
　　 通過靜電紡絲的方法將聚偏氟乙烯(PVDF)沉積到商用Celgard2400聚丙烯微孔隔膜上。用氬常壓等離子體對商業(yè)用Celgard2400聚丙烯微孔隔膜進行處理，發(fā)現(xiàn)等離子體處理增強了靜電紡絲聚偏氟乙烯(PVDF)纖維膜與商業(yè)用Celgard2400聚丙烯微孔隔膜之間的粘結(jié)力。對靜電紡PVDF/Celgard2400聚丙烯復(fù)合纖維膜的電解液吸液率進行測試，發(fā)現(xiàn)用靜電紡絲的方法將聚偏氟乙烯