锂离子电池聚烯烃隔膜的改性研究

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锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应且对环境友好等优点,已经获得越来越广泛的应用。隔膜作为锂离子电池的关键材料,对电池的能量密度、功率密度、循环寿命和安全性有着直接的影响。因聚乙烯微孔膜价格便宜且具有机械强度高、耐电解液腐蚀、在高温时能热闭合以及无毒等优点,已在市场上获得广泛的应用,但它仍存在高温热收缩率大、吸液率不好且对电解液润湿性能差等问题。本文以提高隔膜的安全性和电池的循环能力为目的,采用聚乙烯隔膜作为改性基材,采用浸渍涂覆法和刮除涂覆法这两种表面涂覆改性的方法,对聚乙烯隔膜进行改性,并测试其性能,进行比较分析,系统地研究涂层溶液配方、涂层厚度和陶瓷粉种类对隔膜材料的润湿能力、孔隙率和吸液能力、热稳定性及电池性能的影响,初步确定了具有良好效果的改性方案,制备了机械强度高、热稳定性好和吸液能力强的复合隔膜。并以聚乙烯隔膜为研究对象,设计并搭建测试平台,探究锂离子电池聚烯烃隔膜的改性方案对其电池性能的影响。  实验结果表明,刮涂法可实现涂覆浆料涂层的均匀涂覆,涂层中无机陶瓷颗粒含量的增加可以显著地改善聚烯烃隔膜的热稳定性能,使所制得的聚乙烯改性隔膜热稳定性提高,但是孔隙率和吸液率下降,电池的容量下降;而通过浸渍法涂覆浆料,可实现微孔均匀涂覆,且陶瓷颗粒可以很均匀地分散涂覆在聚烯烃隔膜基材上,可以提高电池的使用寿命和性能稳定,对锂离子电池的循环性能也能产生积极影响,但是涂层中氧化铝含量过高时,涂层与基材隔膜之间将会出现粘结不牢,影响电池性能。  在浸渍涂覆过程中,涂覆浆料中氧化铝的含量对涂覆效果有非常重要的影响,当涂层中聚偏氟乙烯(PVDF)与氧化铝(Al2O3)的质量比为1∶3时,涂覆效果最佳,热收缩率低(130℃下保持30min,隔膜的收缩率为11.3%),复合隔膜微孔孔径分布均匀,电池容量没有明显降低,且电池的循环性能有明显的改善。  在刮涂过程中,在一定范围内涂覆浆料中的氧化铝含量越高,涂覆效果越好。当涂层中PVDF与Al2O3的质量比为1∶5时,复合隔膜涂层与基材之间依然紧密粘结。此时复合隔膜在130℃的温度下保持30min的热收缩率为3.3%,且此复合隔膜的孔隙率、吸液率和电导率都相对较高。  综合比较浸渍涂覆法改性的隔膜和刮涂覆法改性隔膜的各项性能,确定最佳改性方案是采用刮涂法将涂层配方是PVDF与Al2O3的质量比为1∶4的浆料涂覆在隔膜表面,获得的复合隔膜。刮涂法更易实现涂层的均匀分布和涂层厚度的控制,在高陶瓷含量的涂层涂覆中有明显的优势。
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