纳米SiO2/PVdF-HFP与PP无纺布复合锂离子电池隔膜的制备及性能研究

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随着电子产品和电动汽车等飞速发展,比容量高、质量轻、无记忆效应和绿色环保的锂离子电池开发也得到了越来越广泛的关注。锂离子电池隔膜作为锂离子电池的核心部件之一,对锂离子电池的性能、安全、寿命和成本等都有很大的影响。隔膜的研究和改善对锂离子电池整体性能的提高有着十分重要的意义。为了制备出离子电导率高、电化学性能稳定以及安全性能好的锂离子电池隔膜,本论文主要以聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物(PVdF-HFP)作为基体,添加无机纳米SiO2,涂覆在聚丙烯(PP)无纺布上,制备复合锂离子电池隔膜,通过纳米SiO2的改性、PP无纺布的等离子处理,研究对复合膜的物理和电化学性能影响,主要包括以下三个方面的内容:(1)利用含氟偶联剂十七氟癸基三甲氧基硅烷((Heptadecafluoro-1,1,2,2-tetradecyl)trimethoxysilane, TSL-8233)改性纳米二氧化硅(SiO2),并将改性前后的SiO2分散在聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)溶液中,采用浸涂法分别制备以PP无纺布为基底的锂离子电池复合隔膜,并研究纳米SiO2的含氟偶联剂改性对复合隔膜的物理和电化学性能影响。通过红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、透射电镜(TEM)对改性前后的纳米SiO2进行分析表征,结果表明TSL-8233可偶联到SiO2表面,并且其分散性能可以提高;通过扫描电子显微镜(SEM)、电化学工作站和蓝电电池循环测试系统对复合隔膜的表面形貌、热收缩率、离子电导率和电池充放电循环等性能进行了相关测试。结果表明:含氟偶联剂改性的SiO2能在PVDF-HFP中的均匀分散,添加改性纳米SiO2的复合隔膜在热稳定性、吸液率、离子电导率和电化学稳定性等方面都有很大的改善,吸液率达到280%,室温离子电导率为1.90×10-3S cm-1,放电比容量在循环100圈后仍稳定在144mAh/g以上。(2)采用了等离子处理方法对PP无纺布进行接枝改性,即将甲基丙烯酸-(2,2,3,3,4,4,5,5-八氟)戊酯(2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluoropentylmethacrylate, OFPMA)单体接枝到PP无纺布表面。通过FT-IR、XPS等测试,证明了OFPMA可接枝到PP无纺布表面。分别以改性前后的PP无纺布为基底、表面涂覆PVdF-HFP/F127/SiO2混合液制备复合隔膜,通过它们的吸液率、离子电导率等进行测试分析,结果表明:等离子处理时间为10min时的效果最佳,此时复合隔膜(PHS-10)室温下吸液率达到290%,离子电导率为1.76×10-3S/cm。同时,其他测试也得到较满意的结果,PHS-10的热收缩性能和机械强度有明显的提高;在电池性能方面,以复合隔膜PHS-10组装成的电池与未等离子处理复合隔膜(PHS)、商用膜Celgard2400组装成的电池性能相比,表现出优异的电化学性能,PHS-10为隔膜组装的电池在循环100圈后的放电比容量高于150mAh/g,占其初始放电比容量155mAh/g的98%,具有很高的循环稳定性,同时以PHS-10为隔膜组装的电池经过大倍率放电后仍能稳定工作。(3)PP无纺布表面接枝OFPMA有效地提高了复合隔膜的性能,但因采用OFPMA提高了隔膜的价格。因此我们考虑丙烯酸替代OFPMA,PP无纺布进行表面接枝丙烯酸,达到提高隔膜性能同时,可降低隔膜的价格。静态接触角测试结果表明:丙烯酸接枝前后接触角由114°可降到15°,接枝的PP无纺布变为亲水性,与纳米SiO2/PVdF-HFP复合制备的隔膜也表现出高离子电导率,其值达1.69×10-3S/cm,倍率充放电及电池循环性能测试结果表明:等离子接枝处理10min时所制备的复合膜(PHS-A10)经过100圈的循环后,放电比容量几乎和最初几圈保持一致,在152mAh/g左右,是理论比容量(170mAh/g)的89.4%,表现出很好的循环稳定性能。
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