聚酰亚胺纳米纤维膜的制备及其在准固态锂电池中的应用

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随着移动电子设备以及电动汽车的快速发展,开发高性能锂电池及电池材料尤为关键。锂金属电极的能量密度优势突出,目前被公认为是一种理想的负极材料。但传统液态电解质(LE)与锂金属的相容性较差,容易导致负极上锂枝晶的形成不可控,体积膨胀剧烈,固体电解质界面膜不稳定,造成锂金属电池(LMB)在实际应用中存在较大安全隐患并降低了其使用寿命。相对于LE而言,固态电解质(SSE)在安全性和能量密度上均有十分明显的提升,它的应用可以从根本上解决LE存在的安全问题。然而,SSE又存在着离子电导率低和界面接触性差的问题,从而限制了其实际应用。准固态电解质(QSE)是一种具有液相特征的SSE,能够有效结合LE的高离子电导率和SSE的安全性能,并同时减轻二者的缺点。目前,研究证明原位聚合技术是一种便捷且有效的制备QSE的方法,通过这种方法制备的电解质可以最大限度地缓解电解质与电极间的界面接触问题。在以往的研究中,商用聚烯烃隔膜被用作原位凝胶电解质的支撑框架,但隔膜在受热时容易发生卷曲收缩,不同方向上的力学性能也存在较大差异,导致QSE的热稳定性和机械性能降低,当电池遇热或受到外部冲击时,容易导致起火爆炸等严重后果。基于上述问题,本论文使用由静电纺丝技术制备的聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜来取代传统聚烯烃隔膜并将其与电解质前驱体溶液复合,在室温下通过原位聚合技术制备一种超薄、高强度及热尺寸稳定性好的复合准固态电解质(PIQSE)。PI作为一种特种工程材料,与聚烯烃隔膜相比其具有更高的热尺寸稳定性和力学性能,通过静电纺丝技术制备的纤维膜还具有3D网络结构,能够快速吸收电解质以形成均匀稳定的QSE网络。在这里,我们首先探索了纺丝溶液浓度和纺丝参数以制备出符合电池隔膜要求的纯PI纳米纤维膜,之后将其与QSE前驱体溶液在室温下复合,利用前驱体溶液中的六氟磷酸锂(Li PF6)诱导1,3-二氧戊环(DOL)开环自聚合,使其转变为凝胶状态。根据测试结果,PIQSE薄膜表现出2.9×10-3S/cm的高室温离子电导率、31MPa的高机械强度和160℃的高耐热性。以磷酸铁锂(Li Fe PO4)正极组装的扣式电池在0.5C的高倍率下也表现出优异电化学性能,其在25℃下循环200次后容量保持率为91.8%,在产业化应用上显示出诱人的前景。
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