功能化纳米二氧化硅复合聚烯烃微孔膜的制备及性能研究

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锂离子电池(LIBs)因为具备较高的能量密度和优异的循环寿命,已普遍应用于便携式电子设备,尤其是电动汽车。隔膜作为锂离子电池的关键部件,具有防止正极和负极直接接触,同时允许自由离子输运的特性。当前,聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)微孔隔膜因其良好的机械强度和化学稳定性,已成功地应用于商用锂离子电池。然而,高温下其热收缩将导致电极之间短路,从而产生破坏性的安全问题。此外,由于其固有的疏水性,电解液润湿性和润湿速度较差,导致离子电导率较低,锂离子迁移较慢。针对上述问题,本文开展了聚烯烃微孔隔膜改性研究。主要研究内容和结果如下:功能性纳米二氧化硅涂覆PE微孔膜的制备及性能研究:首先合成了具有核壳结构的SiO2-PZS(二氧化硅-聚膦腈)纳米颗粒,并在PE微孔膜的两侧进行涂覆,测试复合膜的电化学性能,同时与未包覆SiO2涂覆膜进行比较。其中,PE-SiO2@PZS隔膜的离子电导率(1.04×10-3 S cm-1)高于PE-SiO2隔膜(8.32×10-4S cm-1)和PE隔膜(8.25×10-4 s cm-1)。PE-SiO2@PZS隔膜在8C倍率下放电容量为115 mAhg-1,PE隔膜放电容量为105 mAhg-1,PE-SiO2隔膜放电容量为106mAhg-1。同时,PE-SiO2@PZS涂覆膜的界面阻抗最低(63Ω),说明包覆SiO2涂覆膜与电极之间接触性能较好。功能性纳米二氧化硅复合PP微孔膜结构与性能研究:SiO2和SiO2-PZS填料的加入对PP微孔膜性能影响明显。对于SiO2填料,含量0.5%时,PP/SiO2流延膜具有最大的屈服强度43.6MPa、拉伸强度82.0MPa,相比PP纯流延膜依次增加了14.4%、10.9%;随着SiO2含量增加,屈服强度、晶区取向和弹性回复率均呈现下降趋势。同样在含量为0.5%时,PP/SiO2微孔膜透气性能最好,力学性能最佳。但对于SiO2-PZS填料,PP/SiO2-PZS流延膜屈服强度均低于同等含量的PP/SiO2流延膜,随着其含量增加,屈服强度、晶区取向和弹性回复率也呈现下降趋势。测试PP/SiO2和PP/SiO2-PZS微孔膜的电化学性能,发现:PP/SiO2-PZS微孔膜在填料含量0.5%时,其离子电导率最大,为1.51×10-3 S cm-1,相比纯PP隔膜增加了0.41×10-3 S cm-1,同时也略高于同等SiO2填料含量的PP/SiO2微孔膜。同时,在8C倍率循环下,其放电比容量也达到最大,为113 mAh g-1,为初始放电容量(0.5C)的76.35%,高于同等SiO2填料含量的PP/SiO2微孔膜。1C循环100次后也较PP和PP/SiO2微孔膜组装电池容量高。
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