大气压DBD等离子体炬对锂离子电池隔膜PP的聚合改性研究

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可充电型锂离子电池因为具有比能量大,工作电压高,循环寿命长,安全性能好且能快速充放电等优点,近年来已经成为新型电源技术研究的热点。锂离子电池(LIB)的组成主要包括正极、负极以及浸润了电解液的隔膜。隔膜是锂离子电池的关键组成部分,隔膜的结构和性能决定了电池的界面结构、内阻等,极大影响了电池的比容量、循环寿命和安全性能等。目前在隔膜市场占据主导地位的是聚烯烃隔膜,聚烯烃隔膜最大的优点是有较好地机械强度和化学稳定性,并且原材料的价格比较低廉,它也是最早商业化隔膜,然而聚烯烃隔膜是非极性的材料,用聚烯烃材料制作的隔膜材料与电解液亲和性较差,从而导致聚烯烃隔膜的保液性差,隔膜的界面阻抗也较高。目前采用单一的制备技术获得的隔膜在性能方面存在很多的缺陷,而无法满足高性能锂离子电池隔膜的需要。如采用熔融拉伸法制作的隔膜的力学性能很差,隔膜的孔隙率低、对电解质的亲和性较差等系列的问题;而釆用无纺布方法制备的隔膜的孔隙率较大,且存在着机械性能较差的问题,从而影响了电池性能的发挥。因此,为了弥补隔膜在制备过程中性能上的不足,对隔膜进行二次改性是很有必要的。在本文中,利用了等离子体来改性聚丙烯(PP)隔膜,因为等离子体改性只作用在材料的表面层,并不改变基体本身具有的性质,并且等离子体对材料改性的表面改性层的厚度是极薄的,该表面改性层对基体不仅有比较强的粘着力,还可以提升材料化学稳定性和热稳定性等。我们通过大气压辉光放电等离子体射流(APGD-PJ)把丙烯酸(AA)单体聚合在商业PP隔膜上,实现亲水改性。利用相关仪器分析了聚合改性后PP隔膜的表面形貌结构、浸润性能、力学性能、孔径分布以及电化学性能。实验结果表明,大气压等离子体聚合10 min后AA聚合物均匀涂覆在了PP隔膜的表面,用Ar/O2/AA改性的隔膜平均孔径约为27.5 nm,而用He/O2/AA改性后的隔膜表面AA聚合物分布更加均匀,PP隔膜的平均孔径约为20.1nm。此外,由He/O2/AA等离子体改性的PP隔膜的接触角从112°降低至39°,与原始PP隔膜相比,改性PP隔膜的电解质吸附量提高近6倍,明显加速了锂离子迁移速度;界面阻抗谱图显示Ar-He/AA聚合改性后的PP隔膜的界面阻抗约为未改性PP隔膜界面阻抗的三分之一;采用Ar/O2/AA和He/O2/AA等离子体改性后的PP隔膜组装的电池与用原始PP隔膜(比容量为127.8 mAh/g)组装的电池相比,具有较高的比容量(分别是136.3 mAh/g,139.3 m Ah/g)、良好的循环性能和倍率充放电性能。
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