溶胶-凝胶技术(SiOGel)改性聚烯烃隔膜的研究

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聚烯烃纤维具有机械性能好、耐酸碱腐蚀性好、抗氧化等优点,同时具有吸液性差和热收缩性强等缺点,是目前锂电池隔膜等应用领域改性研究的热点。
   论文通过正交实验分析了影响溶胶稳定性的各种因素,并制备出相对稳定的氧化硅溶胶。实验发现,影响氧化硅溶胶稳定性因素权重大小为温度>乙醇>水>H+、DMF,优化因素后权重大小为乙醇>水>温度,利用最佳因素水平搭配制得溶胶可稳定存放35天。粒径分析发现,影响溶胶稳定性的关键是溶胶颗粒大小及分布状况。稳定性溶胶制的的干凝胶经计算得孔隙率为89.3%,为优良的多孔材料。
   论文在扫描电镜和红外光谱分析的基础上,提出了四种关于氧化硅凝胶和纤维结合的理论模式:机械连接理论、化学键理论、扩散理论和次价力理论。
   凝胶改性聚烯烃隔膜在力学上发现:平均断裂强力由103.6N提高到106.3N,其分布更为集中;平均断裂伸长率由23.6%减小到21.2%,表明柔性下降,且分布也趋于集中。厚度测试表明隔膜经溶胶工艺后由0.189mm下降到0.185mm。透光率和孔隙率实验表明氧化硅凝胶涂层使得隔膜的大孔隙数量减少,小孔隙含量增多,孔隙率有所降低。原子力显微镜(AFM)力-距离曲线反映了纤维表面的模量有所提高,与断裂伸长率的测试结果相一致。X射线衍射(XRD)测试结果表明,无定形的氧化硅凝胶涂层使得聚烯烃结晶峰强度大大下降,并且向右偏移,且各峰偏移量不同,复合体表面结晶度下降意味着隔膜热收缩也会随之降低。
   论文重点研究了凝胶涂层对聚烯烃隔膜热性能的影响。燃烧现象的差异导致凝胶涂层与纤维结合的表征研究,扫描电镜(SEM)图片显示凝胶涂层在光滑或有凹坑纤维表面形成一层薄膜或颗粒层,在纤维之间也充满块状凝胶;AFM图片显示凝胶颗粒堆集于纤维表面,对纤维表面的凹痕起到填平作用,使得不同纤维表面形貌趋于一致;红外光谱分析,凝胶涂层聚烯烃隔膜同时含有聚丙烯及聚乙烯的红外吸收峰,也含有氧化硅红外吸收峰,化学上证实了两者的结合;差热扫描量热(DSC)测试在125℃和160℃附近出现吸热峰,证实了隔膜中聚乙烯和聚丙烯的存在,而凝胶涂层聚烯烃隔膜的热焓值相对原隔膜在各吸收峰处分别提高171.8%、155.0%和142.4%,表明凝胶的加入使得隔膜吸热量增多,提高了隔膜的热安全性能。
   电化学性能测试表明,凝胶涂层使得隔膜的吸液速率和保液率都相对提高,隔膜的充放电循环次数120h内相对增加2次,隔膜的充放电效率也有所提升,放电容量相对更为集中且稳定,证实凝胶涂层在提高隔膜机械性能的同时,也优化了其电化学性能。
  
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