【摘 要】
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锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命受到越来越多的关注。隔膜作为电池必不可少的组件,发挥着重要作用。目前商用的隔膜如聚乙烯隔膜（PE）存在熔点低（130°C）,高温下收缩率高,与电解液润湿性差等问题。为克服以上问题,在聚烯烃隔膜上涂覆耐热陶瓷颗粒是一种成本可控,易规模化生产的有效策略,然而陶瓷涂层多由陶瓷颗粒无差别堆叠形成。其中,疏松多孔的涂层可以提高隔膜的离子电导率和电解液持有率,但隔膜的热稳定
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锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命受到越来越多的关注。隔膜作为电池必不可少的组件,发挥着重要作用。目前商用的隔膜如聚乙烯隔膜（PE）存在熔点低（130°C）,高温下收缩率高,与电解液润湿性差等问题。为克服以上问题,在聚烯烃隔膜上涂覆耐热陶瓷颗粒是一种成本可控,易规模化生产的有效策略,然而陶瓷涂层多由陶瓷颗粒无差别堆叠形成。其中,疏松多孔的涂层可以提高隔膜的离子电导率和电解液持有率,但隔膜的热稳定性有待提升。堆叠致密的涂层可以抑制隔膜在高温下的收缩,改善复合隔膜与电解液之间的润湿性,但涂层内部有效的孔道减少会影响离子传输,表现为隔膜透气性变差,离子电导率降低,电池性能恶化等。基于此,本论文选择中空埃洛石纳米管对隔膜涂层进行改性,设计三维多孔复合涂层,通过对涂层的结构、组分设计来优化复合隔膜的性能,具体内容如下:1、设计了以埃洛石纳米管（HNTs）为骨架结构的三维多孔复合涂层用于PE隔膜修饰。高长径比的HNTs交叠形成网格结构保证涂层优异的透气性,纳米Al2O3颗粒填充在HNTs骨架间隙以保证涂层良好的耐热性。与PE隔膜相比,Al2O3/HNTs复合涂覆隔膜（AH-PE）的电解液持有率从161%提升到281%,离子电导率从0.58 m S cm-1增加至0.67 m S cm-1,且AH-PE隔膜的热稳定性也得到大幅提升,在170°C时隔膜热收缩率＜5%。由隔膜的透气性测试可知,AH-PE隔膜的Gurley值相比单纯的Al2O3涂覆隔膜（A-PE）减少了23%,说明HNTs的中空纳米管骨架有助于构建良好的气体传输通道,改善隔膜透气性。此外,HNTs内正外负的电荷表面有利于促进锂盐解离,进而提高离子迁移数。基于上述优点,使用该隔膜组装的Li Fe PO4/Li电池具有良好的循环稳定性,倍率性能和高温安全性能。2、基于HNTs可调的化学活性表面,采用多巴胺原位聚合的方法对HNTs进行功能化处理,并用于上述三维多孔复合涂层。多巴胺可通过氢键作用吸附在HNTs的内外表面,并通过自身聚合反应形成致密的聚多巴胺层。聚多巴胺层中丰富的极性官能团如NH2,C=O,-OH等与锂离子之间存在极强的极性作用力,有利于形成快速的离子迁移通道,促进锂离子均匀传输和锂盐的解离。与AH-PE隔膜相比,Al2O3/P@HNTs复合涂覆隔膜（P@AH-PE）具有更高的离子电导率(0.71 m S cm-1)和离子迁移数（0.63）。P@AH-PE隔膜复合涂层的设计改善了锂脱嵌的动力学,促进了锂离子均匀沉积,减少枝晶生长,所组装的锂对称电池在电流密度为0.5 m A cm-2时的循环寿命可达1000 h。基于P@AH-PE隔膜组装的Li Fe PO4/Li电池表现出优异的倍率性能和循环性能,在15 C的超高电流下的放电容量为83.2 m A h g-1,5 C下循环300圈后的容量保持率高达89%。
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