基于靜電紡絲法的PVDF基鋰離子電池隔膜的制備與表征.pdf

1、鋰離子電池具有比能量大，工作電壓高，無(wú)記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、通信及民生等領(lǐng)域。隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，在防止正負(fù)兩極接觸而發(fā)生內(nèi)部短路的同時(shí)，為鋰離子的遷移提供通道。隔膜性能的優(yōu)劣決定電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，對(duì)鋰離子電池的綜合性能具有重要的影響。
　　 用靜電紡絲法制備的納米纖維膜具有孔徑小、孔隙率高、與電解液的親和性好等優(yōu)點(diǎn)，是鋰離子電池隔膜的理想材料。本課題采用靜電紡絲技術(shù)制備了聚偏氟乙烯(P

2、VDF，Poly(vinylidene fluoride))納米纖維膜，通過(guò)熱處理、共混、層合三種方法對(duì)其進(jìn)行改性，以期為制備高性能鋰離子電池用隔膜材料提供方向。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　 首先，采用靜電紡絲技術(shù)制備了PVDF纖維膜，用掃描電子顯微鏡(SEM，Scanning electron microscopy)對(duì)電紡纖維的微觀形貌進(jìn)行表征，系統(tǒng)地討論了紡絲參數(shù)對(duì)PVDF纖維形貌及纖維直徑分布的影響，得出PVDF

3、的最優(yōu)紡絲參數(shù)為溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)12wt.％、溶劑為體積比為7/3的N，N-二甲基乙酰胺(DMAc，N，N-Dimethylacetamide)/丙酮混合溶劑、工作電壓為16kV、接收距離為20cm、紡絲速率為0.4ml/h。所制備的電紡PVDF纖維平均直徑為300nm，分布約在100-500nm。
　　 其次，針對(duì)靜電紡絲纖維膜機(jī)械性能差這一特點(diǎn)，采用熱處理的方法對(duì)PVDF電紡纖維膜進(jìn)行改性，用SEM、差示熱掃描法(DSC，Dif

4、ferential Scanning Calorimeter)、X射線衍射(XRD，X-ray diffraction)等測(cè)試手段研究了熱處理溫度對(duì)纖維形貌、機(jī)械性能、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、孔隙率、吸液率、離子電導(dǎo)率等的影響。結(jié)果表明，熱處理后電紡纖維膜的拉伸強(qiáng)度增加了192％，從3.25 MPa提高至9.50MPa，同時(shí)離子電導(dǎo)率仍大于10-3 S/cm。
　　 然后，采用共混聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，poly(methylmethac

5、rylate))的方法對(duì)PVDF電紡纖維膜進(jìn)行改性，配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVDF/PMMA混紡纖維膜，通過(guò)SEM、DSC、紅外光譜(FTIR，F(xiàn)ourier transform infrared)、孔隙率、吸液率、電導(dǎo)率、界面穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性等測(cè)試手段對(duì)其進(jìn)行表征，討論P(yáng)MMA加入量對(duì)混紡纖維膜物理和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:當(dāng)PMMA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30wt.％時(shí)，靜電紡絲可順利進(jìn)行，PMMA含量的增加使電紡纖維膜的纖維直徑分布明顯

6、變寬，纖維表面變得粗糙;PMMA的加入，可以降低混紡纖維膜的結(jié)晶度、提高吸液率;混紡纖維膜的機(jī)械性能優(yōu)于純紡PVDF纖維膜。當(dāng)PVDF/PMMA質(zhì)量比為85∶15時(shí)拉伸強(qiáng)度最高，為10.79Mpa;混紡膜具有高的離子電導(dǎo)率(2.72×10-3S/cm)、良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。用該質(zhì)量百分比的混合纖維膜作隔膜組裝成電池，進(jìn)行充放電性能研究，在0.2C倍率下的首次放電比容量為157.9mAh/g，并且50次循環(huán)后，容量損失僅為3.9％，說(shuō)明電

7、池具有良好的循環(huán)性能。
　　 最后，將靜電紡絲法與層合法相結(jié)合制備PMMA/PVDF/PMMA三層復(fù)合纖維膜，通過(guò)SEM圖片分析PMMA紡絲液濃度對(duì)純PMMA電紡纖維形貌的影響。結(jié)果表明:最佳溶液濃度為4wt.％。對(duì)層合法制備的復(fù)合纖維膜的物理性能、電化學(xué)性能、組裝的電池性能的測(cè)試和研究表明，層合膜的吸液率約為497％，室溫離子電導(dǎo)率為3.63×10-3S/cm，界面阻抗約為45Ω，電化學(xué)穩(wěn)定窗口為5.3 V，能夠滿(mǎn)足鋰離子電池