静电纺丝法制备EVOH-SO3Li/无机物锂离子电池隔膜的研究

摘要

由于全球资源日益匮乏，发展低碳环保和可持续的能源受到人们的普遍关注，锂离子电池以其体积小巧、比能量高、循环寿命长、无记忆效应、安全可靠以及能快速充放电等优点，越来越受到各国研究者的青睐，应用领域也更加广泛。EVOH磺酸锂是一种具有优异的阻隔性能的半结晶聚合物，既具有像聚乙烯一样的加工性能，又有较强的亲水性，可成为一种优异的电池电极隔膜材料。采用高压静电纺丝法制得的纤维直径一般在数十纳米到数百纳米之间，所成膜具有均匀的微孔结构，掺杂纳米无机粒子可以改善锂离子电池隔膜普遍在物理性能、耐热性能、电导率、锂离子电导率等方面的不足。因此，采用静电纺丝法制备EVOH-SO3Li/无机物锂离子电池隔膜具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文由叔丁醇锂与聚乙烯-乙烯醇(EVOH)反应生成EVOH醇锂聚合物，再与1，3-丙烷磺酸内酯发生加成反应，合成了EVOH-SO3Li接枝聚合物，并分别进行纳米SiO2和Al2O3不同配比的掺杂，采用静电纺丝技术，制备EVOH-SO3Li/SiO2无纺布和EVOH-SO3Li/Al2O3无纺布，并进行微观形貌和点成分测试分析，证实无纺布具有良好的微观形貌和纤维单丝上存在纳米无机粒子，综合无纺布薄膜的物理性能、化学稳定性和热性能测试结果，分析了纳米无机粒子掺杂量对各性能的影响，最终确定纳米SiO2和Al2O3的最佳掺杂量分别为3wt％和2wt％。
　　对3wt％的EVOH-SO3Li/SiO2无纺布薄膜和2wt％的EVOH-SO3Li/Al2O3无纺布薄膜以及对比样EVOH-SO3Li无纺布薄膜和商业隔膜（PP隔膜）进行电化学性能测试，分析纳米无机粒子的掺杂对无纺布薄膜电性能的影响。结果表明:EVOH-SO3Li/SiO2无纺布薄膜和EVOH-SO3Li/Al2O3无纺布薄膜的电化学窗口稳定，稳定极限电压分别为为5V和4.8V，满足电池隔膜的性能要求;EVOH-SO3Li/SiO2无纺布薄膜的离子电导率σ=0.52×10-3S/cm和锂离子迁移数tLi+=0.91，EVOH-SO3Li/Al2O3无纺布的离子电导率σ=0.44×10-3S/cm和锂离子迁移数tLi+=0.88，对比样EVOH-SO3Li无纺布薄膜的离子电导率σ=1.90×10-4S/cm和锂离子迁移数tLi+=0.92，表明纳米无机粒子的掺杂可以提高无纺布的离子电导率，对锂离子迁移数几乎无影响，而且均高于商业隔膜（PP隔膜）的离子电导率σ=9.87×10-5S/cm和锂离子迁移数tLi+=0.75。在室温下，对隔膜进行循环充放电次数测试，循环100周期后，仍保持有初始容量的97％以上，表明电池具有优良的循环性能，满足锂离子电池的性能要求。
　　研究表明，应用静电纺丝技术可以成功制备出纳米无机粒子掺杂的无纺布薄膜，并满足锂离子电池隔膜的性能要求，其中孔隙率提高30％左右、吸液率提高150％以上、熔点提高25-40℃、热分解温度提高30℃左右、离子电导率提高近一个数量级。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 锂离子电池隔膜

1．2．1 隔膜的性能要求

1．2．2 国内外锂电池隔膜的主要制备技术

1．3 静电纺丝技术

1．3．1 静电纺丝基本原理

1．3．2 纺丝装置

1．4 纳米材料

1．4．1 纳米粒子的特性

1．4．2 纳米粒子的表面改性

1．5 本论文研究的主要内容

第2章 实验部分

2．1 原料与测试仪器

2．1．1 合成原料及分析试剂

2．1．2 实验设备与测试仪器

2．2 实验内容

2．2．1 制备EVOH-SO3Li

2．2．2 纳米无机粒子的掺杂

2．2．3 无纺布薄膜的制备

2．3 测试及表征

2．3．1 扫描电镜

2．3．2 物理性能测试

2．3．3 化学稳定性测试

2．3．4 耐热性能测试

2．3．5 电化学性能测试

2．4 本章小结

第3章 纳米无纺布的制备过程及性能分析

3．1 高压静电纺丝工艺

3．2 EVOH-SO3Li／SiO2无纺布的制备

3．3 EVOH-SO3Li／Al2O3无纺布的制备

3．4 微观形貌表征及分析

3．4．1 EVOH-SO3Li／SiO2无纺布的微观形貌分析

3．4．2 EVOH-SO3Li／Al2O3无纺布的微观形貌分析

3．5 物理性能分析

3．5．1 孔隙率

3．5．2 吸液率

3．6 化学稳定性分析

3．6．1 耐电解液腐蚀能力

3．6．2 胀缩率

3．7 纳米粒子掺杂量的确定

3．8 耐热性能分析

3．8．1 DSC

3．8．2 TG

3．9 本章小结

第4章 电化学性能分析

4．1 电化学稳定窗口

4．2 离子电导率

4．3 锂离子迁移数

4．4 循环充放电次数

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢