锂离子电池功能化陶瓷涂覆隔膜的制备和性能研究

摘要

锂离子电池被广泛用于便携设备领域，也被认为是最具有应用前景的电动汽车动力电池体系。但其现有体系的工作模式（尤其是作为电动汽车的动力电源时）在技术上仍然存在巨大的安全隐患。隔膜是锂离子电池中防止正负极材料直接接触而造成短路的隔板，是保障锂离子电池安全的一大关键因素。目前，商品化的液态锂离子电池大多选用微孔聚烯烃膜作为隔膜，它虽具有适宜的孔径、稳定的化学性能、足够的机械强度等优点，但由于在高温下尺寸稳定性差，容易收缩甚至熔化破膜，造成电池内部短路，可能导致电池发生热失控进而起火爆炸。此外非极性的聚烯烃隔膜具有疏水的表面和较低的表面能，导致其与极性电解液之间亲和性较差。
　　目前，陶瓷涂覆隔膜（陶瓷隔膜）被认为是一种能够有效解决以上问题的方法。陶瓷涂层对陶瓷隔膜的性能起到关键作用，而陶瓷粉体是陶瓷涂层的关键组成成分。大量研究结果都表明，材料的性能与其组成、结构、形貌、粒径等因素密切相关。因此，微观的陶瓷粉体性质会直接影响宏观的陶瓷涂层特性进而对陶瓷隔膜性能产生影响。本课题在传统陶瓷隔膜能够有效抑制热收缩的基础上，另从陶瓷粉体的结构和成分两个方面入手，对其进行良好地设计和控制，以此复合进新的功能特性，最终制得具有复合功能特性的陶瓷粉体，以提高陶瓷隔膜的各方面性能，进而改善锂离子电池的各项性能。
　　本文探究了具有有机-无机复合结构的陶瓷粉体对陶瓷隔膜性能的影响。用无皂乳液聚合法在二氧化硅(SiO2)球形陶瓷粉体表面包覆一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)壳层。将SiO2-PMMA核壳结构亚微球涂覆在聚乙烯(PE)隔膜表面制备成涂覆SiO2-PMMA核壳结构亚微球的结构功能化陶瓷隔膜。该隔膜结合了陶瓷隔膜在高温下能保持尺寸稳定和凝胶聚合物电解质(GPE)能稳定电解液的优点。具有良好耐热性的SiO2核能够有效抑制隔膜的热收缩，提高电池安全性。PMMA壳层加强了隔膜与电解液间的相互作用，提高了隔膜与电解液的亲和性。且PMMA经过电解液活化后，形成了凝胶态物质，使得该陶瓷隔膜具备了GPE的功能特性，能够有效地吸收和保持电解液。
　　本文不仅在结构方面优化陶瓷粉体，同时尝试在成分方面将其功能化并探究陶瓷粉体成分功能化对陶瓷隔膜性能的影响。在正硅酸乙酯水解过程中加入含硼化合物，将具有缺电子特性的硼元素(B)引入硅氧(Si-O)骨架中。将含硼二氧化硅(B-SiO2)单面涂覆于PE隔膜上制成了涂覆B-SiO2的结构功能化陶瓷隔膜。耐热性良好的SiO2在PE隔膜表面形成骨架结构，维持隔膜在高温下的尺寸稳定性，提高电池安全性。该隔膜与电解液的亲和性、吸液率和离子电导率均有提升。含硼官能团的缺电子效应与电解液中的阴离子发生相互作用，从而促进锂盐解离，固定阴离子，提高锂离子迁移数。组装了该隔膜的电池，在倍率性能方面得到了一定的提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池简介

1．1．1 锂离子电池的原理

1．1．2 锂离子电池的特点

1．1．3 锂离子电池的关键材料

1．2 锂离子电池隔膜

1．2．1 锂离子电池隔膜的性能要求

1．2．2 锂离子隔膜的制备方法

1．2．3 锂离子电池隔膜的市场现状

1．3 锂离子电池隔膜研究现状

1．3．1 商业化隔膜存在的问题

1．3．2 隔膜改性方法

1．4 本论文的研究目的和主要内容

1．4．1 本论文的研究目的

1．4．2 本论文的主要内容

参考文献

第二章 实验部分

2．1 实验药品和仪器

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．2 测试表征方法

2．2．1 表征仪器

2．2．2 材料表征技术

2．2．3 隔膜性能表征技术

2．3 电池组装及充放电测试

2．3．1 正极电极片的制作

2．3．2 负极电极片的制作

2．3．3 电池的组装

2．3．4 电池充放电测试

参考文献

第三章 涂覆二氧化硅-聚甲基丙烯酸甲酯核壳结构亚微球的结构功能化陶瓷隔膜的制备及其性能研究

3．1 前言

3．2 实验内容

3．2．1 SiO2-PMMA核壳结构亚微球的制备

3．2．2 涂覆SiO2-PMMA核壳结构亚微球的结构功能化陶瓷隔膜的制备

3．3 实验结果与讨论

3．3．1．SiO3和SiO2-PMMA核壳结构亚微球的形貌及傅里叶红外光谱表征

3．3．2 PE隔膜和功能化陶瓷隔膜的形貌表征

3．3．3 PE隔膜和功能化陶瓷隔膜的性能测试

3．3．4 PE隔膜和功能化陶瓷隔膜对电池性能的影响

3．4 小结

参考文献

第四章 涂覆含硼二氧化硅的成分功能化陶瓷隔膜的制备及其性能的研究

4．1 前言

4．2 实验内容

4．2．1 硼源的选择

4．2．2 含硼二氧化硅颗粒的制备

4．2．3 涂覆含硼二氧化硅的成分功能化陶瓷隔膜的制备

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 硼源的选择

4．3．2 B-SiO2的形貌和傅里叶红外光谱表征

4．3．3 PE隔膜和B-SiO2隔膜的形貌表征、锂离子迁移数测试及B-SiO2隔膜的优选

4．3．4 PE隔膜和优选B-SiO2(2：8)隔膜的性能测试

4．3．5 PE隔膜和优选B-SiO2(2：8)隔膜对电池性能的影响

4．4 小结

参考文献

第五章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

硕士期间发表的论文

硕士期间申请的专利

致谢