改性聚丙烯隔膜的制备及在锂硫电池中的应用

摘要

聚丙烯隔膜（PP）作为锂离子电池的重要组成部分之一，主要起分隔正负极和传输 Li+的作用。但 PP隔膜表面具有较高的表面能，表现出较强的憎水性，这不仅不利于电解液的浸润，还不利于电解液的保持。而且当温度达到PP的熔融温度时（165℃），会导致隔膜的微孔闭合以致隔膜失效。因此，提高PP隔膜的亲水性和热稳定性一直是研究的重点。当PP隔膜应用到锂硫电池时，又增加了一个新问题，即：聚硫化物的穿梭效应。因此如何改性隔膜，使之能有效减缓穿梭效应，就成为了PP隔膜改性研究的又一难点。本文针对这三个问题，对隔膜进行改性研究，并将其应用于锂硫电池，取得了良好的效果。
　　（1）通过涂覆的方法，成功制备了具有 Al2O3和 CNT双涂层的改性隔膜（CAF）。因高熔点的 Al2O3存在，使得隔膜的热稳定性增加，而且涂层的疏松表面能增加隔膜对电解液的润湿性，加速Li+的传输。将该改性隔膜应用于锂硫电池发现，涂层不仅能通过位阻效应，还能通过Al2O3与聚硫化物间的化学作用力，减缓聚硫化物的穿梭效应。CNT具有优异的导电性，可作为第二电极，进一步提高活性物质的利用率。因此采用CAF隔膜的锂硫电池，其放电容量和倍率性能得到大幅提升，在0.2 C下其首次放电容量为1096 mAh g-1，循环100圈后为760.4 mAh g-1，容量保持率为69.3%。
　　（2）利用表面活性剂（吐温、曲拉通和聚乙二醇）的两性，使其疏水端紧密地粘附在隔膜上，亲水端上的-OH与生成的SiO2粒子上的-OH结合，从而将SiO2固定在隔膜表面。该改性隔膜使用寿命长，其润湿性和热稳定性也得到大幅提高。将其应用于锂硫电池时，SiO2和聚硫化物间较强的化学作用力，能有效缓解聚硫化物的穿梭效应。在0.2 C下的首次放电容量达937 mAh g-1，循环200圈后容量仍为603.5 mAh g-1，每圈的衰减率仅为0.05%。
　　（3）通过苯胺自聚合沉积在隔膜上，成功制备了聚苯胺（PANI）改性的隔膜。PANI沉积层的疏松结构和高熔点（＞350℃），使得该改性隔膜的润湿性和热稳定性有所增加。将其应用于锂硫电池时，导电PANI能提供更多的反应位点，有效缓解聚硫化物的穿梭效应，提高电池的循环性能和倍率性能。在0.2 C下其首次放电容量达925.4 mAh g-1，循环100圈后剩余429.9 mAh g-1。
　　（4）利用多巴胺（PD）共聚沉积聚乙烯亚胺（PEI）至PP隔膜表面，从而制备PD和PEI共聚改性的隔膜。研究发现：改性隔膜表面的极性官能团（羟基和氨基）能降低隔膜的表面能，增加隔膜对电解液的润湿性。将改性隔膜应用于锂硫电池发现，改性隔膜上的阳离子聚合物PEI，能通过静电作用力将聚硫化物束缚，有效缓解穿梭效应，提升锂硫电池的电化学性能。在0.2 C下A1P3的循环性能最佳，首次放电容量达1033.4 mAh g-1，循环200圈后为411.1 mAh g-1。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2锂硫电池概况

1.3 锂硫电池隔膜改性研究进展

1.4 锂硫电池的理论计算

1.5 选题背景及主要研究内容

2 Al2O3和CNT双涂层改性聚丙烯隔膜的制备及在锂硫电池中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3结果与讨论

2.4 本章小结

3 表面活性剂沉积SiO2改性聚丙烯隔膜的制备及在锂硫电池中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3结果与讨论

3.4 本章小结

4 聚苯胺改性聚丙烯隔膜的制备及在锂硫电池中的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 PD和PEI共聚沉积改性聚丙烯隔膜的制备及在锂硫电池中的应用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 全文总结

参考文献

论文发表及整理情况

致谢

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