聚合物陶瓷材料复合隔膜的制备及其电池性能的研究

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目前,锂离子电池在移动电子设备、电动汽车以及国网储能等大规模储能系统中应用广泛,电池应用产品的更新促使锂电行业迅速发展,同时在安全性、容量、寿命等方面也对锂离子电池有了更高的要求。然而,商业隔膜中常见的聚烯烃材料本身稳定性差,受热易卷曲熔化,且受锂枝晶刺穿易损坏,这些缺点都对电池造成极大的安全问题。聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)材料在新型隔膜材料中最具潜力,是当前锂电隔膜研究的热点。本文首次采用电泳沉积法制备出高性能的Li-MMT/PVDF-HFP复合隔膜,有效解决了锂离子电池内部隔膜与阳极界面的锂枝晶问题。同时对比了四种商业隔膜以及不同分子量的PVDF-HFP材料所制备的隔膜的机械强度,热稳定性能和倍率性能,对比发现PVDF-HFP隔膜表现出比聚烯烃隔膜更优的热稳定性能以及电化学性能。通过工业上广泛应用的离子交换法制备锂化蒙脱土陶瓷材料,再使用电泳沉积法制备具有嵌锂通道的复合隔膜。通过调节Li-MMT颗粒的加入比例,得到了四种不同含量的隔膜,并与纯PVDF-HFP隔膜进行倍率性能比较。将最优添加量为10%的Li-MMT/PVDF-HFP聚合物隔膜与纯PVDF-HFP隔膜和商业隔膜通过微观结构,机械强度,吸液率以及电池的电化学性能等进行对比测试,发现电泳沉积所制备出的Li-MMT/PVDF-HFP复合隔膜具有优异的安全性及电化学性能。本实验制备的Li-MMT/PVDF-HFP复合隔膜中存在的层间距(1.31 nm)为Li+提供了更多的活性位点,使锂离子在电化学反应中快速转移。同时平行的中间层平衡了Li+的流动方向,使Li+均匀地沉积在阳极上,有效地消除了Li+脱/嵌过程中的锂枝晶问题。采用Li-MMT/PVDF-HFP复合隔膜组装的电池,在0.5 C倍率下循环300次后,其可逆容量为152 mAh·g-1,容量保持率高达98.5%,得益于高离子导电性(>5.66×10-44 S·cm-1)的快速离子转移路径和聚合物与层状硅酸盐粘土之间增强的相互作用。本文在PVDF-HFP聚合物中引入陶瓷材料制备的复合隔膜可以使电池获得更好的安全性能和电化学性能,为锂电池隔膜的应用研究提供了有用参考。
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