熔喷非织造布锂离子电池隔膜的制备及性能表征

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锂离子电池在我们的日常生活中已经普及,但由于传统锂离子电池隔膜存在孔隙率和保液性低、热稳定性较差等缺点,无法完全满足锂离子电池快速充放电的要求。如何设计出性能优良的锂离子电池隔膜成为该领域的重要课题。本文在此问题研究的基础上,将孔隙率高、微孔结构曲折、保液性高及尺寸收缩小的聚丙烯熔喷非织造布应用在锂离子电池隔膜上。首先以聚丙烯熔喷非织造布为研究对象,通过物理性能及电化学性能测试,探究聚丙烯熔喷非织造布的粘合方式、叠层及与纳米级二氧化硅颗粒复合等对其应用在锂离子电池隔膜上的影响。其次对不同加工工艺制备的锂离子电池隔膜的物理性能及电化学性能进行测试,并对其进行对比及综合性分析,通过对各类别隔膜的微观结构研究以及性能比较以实现制备过程中工艺的优化,为后继聚丙烯熔喷非织造布锂离子电池隔膜的开发及应用提供一定的理论依据及实验基础。主要结论如下:(1)经加热热轧的试样相对于经常温热轧的试样和经点粘合的试样,具有更高的孔隙率、吸液率及离子电导率。(2)由经常温热轧的试样、加热热轧的试样和经点粘合的试样分别所组装的1号电池、2号电池和3号电池在0.2 C条件下的放电比容量分别为110 mAh/g、130 mAh/g和115mAh/g左右;当电流增大至2.0 C时,由各试样所组装的电池放电比容量为0 mAh/g。虽然3种聚丙烯熔喷非织造布所能承受的电流大小都只有1 C,但是相对而言,由加热热轧的试样所组装的电池具有更好的电学性能。(3)随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增加,其厚度,孔隙率,吸液率,内阻增加,孔径减小且孔径分布更加的均匀。(4)随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增加,其首次充/放电比容量及循环容量都不同程度地降低。当叠加层数为5层时,其放电比容量降为82 mAh/g。随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增加,各锂离子电池的倍率性能不同程度地提高。当电流增大至5 C时,由1层、2层、3层、4层及5层分别所组装的锂离子电池的放电比容量分别为:0.23 mAh/g、1.60 mAh/g、60 mAh/g、63 mAh/g及43 mAh/g。说明随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增加,虽然循环容量降低了,但倍率性能提高。(5)通过在聚丙烯熔喷非织造布的单侧涂覆SiO2涂层液,有效地改善了聚丙烯熔喷非织造布的孔径大小、孔径分布及热稳定性能。当SiO2涂层液浓度达到15%后,在150℃的条件下烘0.5 h,复合锂离子电池隔膜没有发生变化。(6)通过在聚丙烯熔喷非织造布的单侧涂覆SiO2涂层液,将聚丙烯熔喷非织造布的阻抗由3.71W降低到了2.96W;经电学性能测试,由聚丙烯熔喷非织造布或复合锂离子电池隔膜分别所组装的锂离子电池的首次放电比容量分别为105 mAh/g、120 m Ah/g、123mAh/g、135 m Ah/g和99 mAh/g;在倍率性能测试中,未经涂层的聚丙烯熔喷非织造布,其放电比容量在电流增长至2 C时降为0 mAh/g,而含有经5%涂层试样、10%涂层试样、15%涂层试样或20%涂层试样的锂离子电池的放电比容量在电流增长至5 C时仍分别维持在68 mAh/g、83 mAh/g、89 mAh/g和36 mAh/g。表明经纳米级SiO2涂层液涂层的复合锂离子电池隔膜所组装的锂离子电池具有较好的倍率性能。(7)经过对不同加工工艺制备的锂离子电池隔膜的物理性能及电化学性能进行测试与分析,表明:向聚丙烯熔喷非织造布中填充纳米级SiO2颗粒,不但可以改善聚丙烯熔喷非织造布的孔径大小、孔径分布及热稳定性能,还可以提高其所组装的锂离子电池的电学性能。但针对其面密度、厚度过高等问题,需降低面密度及厚度,做到轻薄化,一般为25μm或40μm;而关于平均孔径较大,分布不均的问题,需调节相关的熔喷工艺参数,将聚丙烯熔喷非织造布做到纤维分布的均匀化;同时在进行涂层处理时,需要调节涂层液的配置,改善涂覆工艺,争取涂覆均匀,达到其孔径分布的均匀化及平均孔径达到1μm。
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