锂电池隔膜用UHMWPE树脂的制备及性能研究

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随着全球能源结构的不断变化,石油、天然气等不可再生能源日渐枯竭,人们继续寻求一种可再生、绿色新型能源来代替传统石化能源。锂电池作为新能源行业的焦点,具有良好的耐用性、高能量密度、高比容量和优良的安全性能等优点,逐渐引起人们的广泛关注。锂电池隔膜作为其内部结构的重要一环,影响着锂电池的渗透率、孔隙率、安全性等各种性能。隔膜通常是一种绝缘的多孔聚合膜,防止正极和负极直接接触,但允许锂离子在两极之间交换。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是制备隔膜的首选材料,因为它具有优异的化学惰性、耐磨性和极高的机械强度。UHMWPE用催化剂主要有Ziegler-Natta催化剂、茂金属催化剂和非茂金属催化剂三种。Ziegler-Natta催化剂由于具有催化活性高、产品颗粒均匀、反应条件温和、制备成本低等优点,自从其面世后,便在学术界引起了广泛关注,并迅速在聚烯烃工业的催化剂中占据了主体地位。本文主要研究了一种用于合成UHMWPE锂电池隔膜的Ziegler-Natta催化剂,主要研究内容如下:(1)制备了Gz-1#~Gz-5#五种Ziegler-Natta催化剂,研究了内给电子体、陈化反应温度、老化、钛洗对催化剂性能的影响;对催化剂进行元素含量、粒度及粒度分布、扫描电镜(SEM)、X射线能量色散谱(EDS)表征。结果表明:加入内给电子体正硅酸乙酯(TEOS)有利于提升Ti活性中心的催化效率,提升反应温度并增加老化过程有利于优化颗粒形态,Gz-1#催化剂元素分布均匀,颗粒形态良好,粒径分布集中,机械强度好,制备条件能够保持生产装置长期平稳地运行。(2)采用Gz-1#~Gz-5#催化剂为主催化剂,以三乙基铝(TEA)为助催化剂分别合成了编号为S1~S5的UHMWPE,并用高温凝胶渗透色谱仪(GPC)、激光粒度分布仪、SEM、熔体流动速率仪、堆积密度计、多功能密度计、差示扫描热分析仪对UHMWPE分别进行了分子量、粒度及分布、形貌、熔融指数、堆密度、密度、结晶性能表征分析。结果表明:S1的综合性能最好,最适于做锂电池隔膜。(3)将S1与参比UHMWPE粉料进行分子量、目数及目数分布、形貌、熔融指数、堆密度、结晶性能、溶胀性能对比分析,结果表明:S1产品的分子量、堆密度最高,目数分布较为集中,细粉含量少,颗粒表面较为粗糙,粒径均一,结晶度高,溶胀效果好,更适用于做锂电池隔膜。(4)采用湿法锂电池隔膜实验装置,将S1树脂通过塑化、挤出、双向拉伸、洗涤和干燥等工程工艺制成了隔膜1#,将自制的1#与参比UHMWPE树脂制备的锂电池隔膜进行了性能对比研究。结果表明:1#隔膜塑化状态良好,厚度均一,穿刺强度、孔隙率等指标与参比UHMWPE树脂制备的锂电池隔膜相当,满足锂电池隔膜生产的需求。
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