聚酰亚胺纳米纤维膜的微交联及其作为锂离子电池隔膜的应用研究

摘要

在环境问题和能源短缺的当今时代，锂离子电池作为一种高效、高能且绿色环保的可充电电池，由于具有工作电压高、比能量高、容量大、自放电小、循环性好、使用寿命长、质量轻、体积小等突出优点，在新型电源技术中备受瞩目。电池隔膜在锂离子电池中用来隔开电池正负极，给充放电过程时锂离子的迁移提供通道，隔膜性能的优劣直接影响着电池的性能和安全。目前，广泛使用的传统的锂离子电池隔膜是聚烯烃微孔隔膜，其孔隙率、持液率、电解液浸润性以及熔融温度较低，无法满足高性能安全锂离子电池的使用，这严重限制了LIBs的发展。因此，开发有高孔隙度和热稳定性以及对电解液良好的润湿性的新型隔膜被认为对制造高性能充电锂电池具有十分重要的意义。
　　聚酰亚胺材料(PI)因其独特的芳杂环结构，综合性能十分优异，具体有优异的耐高低温性等性能。将静电纺纤维的小尺寸效应与聚酰亚胺的高耐热性能结合起来，PI纳米纤维膜成为了一种有潜力的高容量，大倍率锂离子电池用隔膜的材料。然而，目前由静电纺丝法制备的聚酰亚胺纤维膜通常为无纺结构，纤维膜中纤维排列无序，体积蓬松，纤维之间只是物理搭接，并没有很强的相互作用，所以纳米纤维膜的机械性能较差，阻碍了PI纳米纤维膜的进一步发展。
　　本文提出了熔致交联法、溶致交联法来改善聚酰亚胺纤维膜力学性能和孔结构，研究了不同体系的聚酰亚胺纤维膜通过熔致交联法及溶致交联法制备出具有交联形貌的聚酰亚胺纤维膜。熔致交联法是聚酰胺酸(PAA)纳米纤维膜在完成热酰亚胺化的同时，纳米纤维之间产生熔接，制备出具有交联结构的PI纳米纤维膜。对于溶剂处理的PI交联纤维膜，则是通过调节对聚酰胺酸纤维的预处理温度和溶剂处理的时间来调节纤维膜微结构。纤维膜微交联的形成增加了纤维之间的相互作用力，改善了纤维之间松散搭接状态以及开放的孔结构。这种交联的程度随最终热处理温度或者溶剂处理前预处理温度可调，PI纤维膜的性能也发生相应的变化，基本上是呈现交联程度越高，孔隙率、吸液率随之下降。然而PI纤维膜的拉伸强度最高可由原来的14.76MPa提高到了76.10MPa，且交联结构的形成并不影响PI的分子结构以及纤维膜的热尺寸稳定性，仍表现出优异的热尺寸稳定性。和Celgard2400隔膜相比，在作为锂离子电池隔膜时交联PI隔膜具有更高的电解液浸润性、离子电导率、优异的放电比容量以及循环性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 静电纺丝概况

1．1．1 静电纺丝与纳米纤维

1．1．2 静电纺丝法发展背景

1．1．3 静电纺丝装置及其原理

1．1．4 静电纺丝的影响因素

1．1．5 静电纺丝纤维的应用

1．2 聚酰亚胺简介

1．2．1 聚酰亚胺的结构与性能

1．2．2 聚酰亚胺的发展历史

1．2．3 国内外聚酰亚胺发展现状

1．2．4 聚酰亚胺纳米纤维

1．3 锂离子电池概述

1．4 锂离子电池隔膜

1．4．1 锂离子电池隔膜分类

1．4．2 锂离子电池隔膜的性能要求

1．4．3 锂离子电池隔膜发展现状

1．5 论文选题的立论、目的和意义

第二章 实验部分

2．1 实验原料及仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器及测试仪器

2．2 电纺聚酰亚胺纤维膜的制备

2．2．1 纺丝液的制备

2．2．2 具有交联形貌的聚酰亚胺纤维膜的制备

2．3 测试与表征

2．3．1 PI纤维膜的形貌表征

2．3．2 PI纤维膜的力学性能表征

2．3．3 PI膜密度测试

2．3．4 PI纤维膜孔隙率和吸液率的测定

2．3．5 PI纤维膜的红外谱图表征

2．3．6 PI纤维膜的热失重测试

2．3．7 PI纤维膜的热机械分析(TMA)测试

2．3．8 PI纤维膜的热尺寸稳定性测试

2．3．9 PI纤维膜的静态接触角测试

2．3．10 交流阻抗(EIS)测试

2．3．11 电化学窗口稳定性(LSV)测试

2．3．12 电池充放电与寿命测试

第三章 实验结果与讨论

3．1 热致微交联聚酰亚胺纤维膜的结构与性能表征

3．1．1 6FDA／ODA体系聚酰亚胺纤维膜的结构与性能表征

3．1．2 ODPA／ODA体系聚酰亚胺纤维膜的结构与性能表征

3．1．3 其他体系聚酰亚胺纤维膜的结构与性能表征

3．2 溶致微交联聚酰亚胺纤维膜的结构与性能表征

3．2．1 纤维膜形貌表征结果及分析讨论

3．2．2 纤维膜机械性能测试及分析讨论

3．2．3 隔膜孔隙率的测试

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

导师及作者简介