高安全复合隔膜的制备以及在锂/钠电池中的性能研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:regrgdgdgg
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锂离子电池凭借其优异的综合性能在电动汽车、移动数码设备以及大型基站备用电源等领域有着广泛的应用。优异的应用前景推动了锂离子电池行业的发展,同时人们也从循环稳定性、容量与安全性等方面对锂离子电池提出更高的要求。隔膜作为锂离子电池的重要组成部分,虽然不直接参与电池中的电化学反应,但是阻隔了电池正负极的接触,同时也能够传导锂离子。因此,隔膜的材料选择与结构组成对电池的电化学与安全性能有着深刻的影响。目前,聚烯烃隔膜广泛应用于锂离子电池中,此类隔膜作为商业化隔膜其综合性能较为优异,但是也存在热稳定性较差、安全性不高、对电解液润湿性不好、高电压体系下性能较差等缺点,这一系列问题制约了锂离子电池的发展。因此从隔膜角度改善锂离子电池性能成为当下较为热门的研究课题。本论文选用特定的基体材料与涂覆材料,采用抽滤法、浸渍法等方法制备复合隔膜,通过改善隔膜来提高锂/钠电池的性能,主要包括以下内容:1、采用抽滤法在PP隔膜一侧涂覆聚丙烯腈(PAN)制备了用于高电压电池体系的限域功能隔膜(PX),并主要研究电解液添加剂丁二腈(SN)协同PX隔膜对高电压钴酸锂电池长循环性能的影响。研究结果表明:引入电解液添加剂SN可显著促进钴酸锂正极侧成膜,同时由于SN可被PAN限制在正极侧,所以在此基础上再引入PX隔膜可减少添加剂SN对锂金属负极的腐蚀。因此,在添加了SN的电池体系中,PX隔膜组装的Li||Li Co O2电池在1 C下循环240圈后,容量保持率为89.7%,而PP隔膜仅为75.4%。2、选用孔隙率高且耐热性优异的PAN无纺布替代PP隔膜作为基体材料,并在无纺布表面涂覆勃姆石(Al OOH),制备了无机复合隔膜(PNA),并研究复合隔膜的性能。研究结果表明:通过在PAN无纺布表面复合Al OOH有效改善了无纺布表面的孔径分布,其次引入Al OOH提高了复合隔膜的热稳定性、离子电导率与阻燃性能。PNA隔膜具有高安全性,且使用PNA隔膜组装的Li||Li Fe PO4电池在1 C下循环100圈后放电容量为165 m Ah g-1,而PE隔膜仅剩150 m Ah g-1。3、考虑目前电池行业的发展趋势,为了减少污染与降低电池成本,我们将复合隔膜引入钠电体系当中,并且选用成本更低且更加安全环保的无尘纸代替PAN无纺布作为复合隔膜基体材料。与此同时,我们将涂覆材料从零维纳米颗粒升级成二维材料,利用浸渍法制备了纸基/g-C3N4复合隔膜(PCG),并研究复合隔膜的综合性能。研究结果表明:基体无尘纸表面分布着较多孔径较大的孔洞,无法直接充当电池隔膜,所以我们通过在无尘纸表面复合g-C3N4来改善基体纸的孔径分布与大小,使其能够成功应用于电池当中;其次,得益于二维材料(g-C3N4)的自堆积特性,所以制备PCG隔膜所需的粘结剂相较于零维颗粒较少(过多粘结剂会阻碍离子传导),因此PCG隔膜表现出更加优异的离子电导率;第三,由于复合隔膜基体材料是纸,所以PCG隔膜热稳定性优异且具有高安全性。同时,使用PCG隔膜组装的Na||Na3V2(PO4)3电池在1 C循环过程中每一圈都比PE隔膜组装的电池高出15 m Ah g-1左右,并且在倍率性能方面也比PE隔膜组装的电池更为优异。
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