聚酰亚胺/纤维素锂电池隔膜纸的纸页结构及性能研究

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随着科学技术的飞速发展,电池应用愈加广泛。锂离子电池因其拥有高能量密度,稳定的循环特性,低放电率和高工作电压,成功应用于手机、电脑和相机等便携式电子设备,还有望应用于电动汽车以及能源存储系统。锂离子电池由正极、负极、电解质和隔膜等部分构成。隔膜在正极和负极之间以防止两电极的直接接触引起的电池内部短路,同时实现电池充放电时锂离子的自由转移。论文主要对聚酰亚胺/纤维素电池隔膜纸的结构和性能进行了研究,以聚酰亚胺纤维为基体材料,辅以氧化处理的细菌纤维素,采用传统湿法造纸工艺并结合真空吸附工艺,生产热稳定性能、电解质润湿性能、机械性能优异的电池隔膜纸。主要研究内容包括:(1)采用物理打浆方式处理聚酰亚胺纤维,探究合理的打浆程度以得到适于制备电池隔膜纸基材的纤维形态。通过显微镜观察不同打浆程度的纤维形态。将不同程度打浆处理后的聚酰亚胺纤维通过湿法抄纸的方式抄造出定量为25 g/m2的纸基材料,通过透气度和抗张强度来衡量其作为隔膜基材的合理打浆程度。采用TEMPO氧化法处理细菌纤维素。在氧化细菌纤维素过程中通过改变氧化剂-H用量调节氧化程度,通过原子力显微镜的观察以及羧基含量的计算,并通过检测透气度和机械强度来探究适用于填补聚酰亚胺基材孔隙制备电池隔膜纸的合理用量。研究结果表明:随着打浆时间的增加,聚酰亚胺纤维变得越来越短。未打浆的聚酰亚胺纤维抗张强度为37 N·m·g-1,打浆1h后抗张强度降到19.4 N·m·g-1,随着打浆时间的增加到5 h,聚酰亚胺基纸的抗张强度降到8.2 N·m·g-1。未打浆的聚酰亚胺基纸在200 Pa下,透气度为582 mm/s,打浆至5 h时,透气度降到220 mm/s。细菌纤维素的氧化程度随着氧化剂-H用量的增加而增加,纤维变得越来越细。添加了氧化剂-H用量为1 mmol·g-1处理的细菌纤维素后,抗张强度为16.56 N·m·g-1,比未添加细菌纤维素的聚酰亚胺基纸抗张强度提升了120.8%。未添加细菌纤维素的聚酰亚胺基纸在200 pa下的透气度为257 mm/s,添加了氧化剂-H用量为1mmol·g-1处理的细菌纤维素后,透气度降低为12.5 mm/s。(2)采用打浆5 h的聚酰亚胺纤维制备电池隔膜纸基材,干燥后采用真空吸附的方法在其表面吸附氧化剂-H添加量为1 mmol·g-1处理的细菌纤维素,制备得到聚酰亚胺/纤维素电池隔膜纸。探究不同添加量的细菌纤维素对于复合隔膜性能的影响。选出最优添加配方,通过扫描电镜、显微CT、热重分析、热收缩、交流阻抗性能以及电池性能测试等进一步探究隔膜的结构以及电化学性能。研究结果表明:聚酰亚胺/纤维素复合电池隔膜在热收缩、电解质润湿性和离子电导率等性能都得到显著提升。该复合隔膜在200℃下的热收缩率<1%,抗张强度为16.56N·m·g-1,孔隙率为67.69%,吸液率为255%,离子电导率为1.62 mS/cm。聚酰亚胺/纤维素复合电池隔膜相较于商业化的Celgard2340隔膜有优异的稳定循环性能和良好的倍率性能。聚酰亚胺/纤维素复合电池隔膜表现出优异的安全特性,表明了该复合隔膜可以作为高端锂离子电池的候选材料。
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