常壓等離子體化學(xué)氣相沉積制備用于鋰離子電池隔膜的UHMWPE-SixOyCzHm雜化薄膜.pdf

1、本論文通過(guò)常壓等離子體化學(xué)氣相沉積(Atmospheric Pressure Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-APECVD）的方法，利用六甲基二硅氧烷（Hexamethyl Disiloxane-HMDSO）作為硅源，與氬氣（Ar）、氧氣（O2）按照一定的比例進(jìn)行混合，對(duì)高強(qiáng)高模聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene-UHMWPE）鋰離

2、子電池隔膜的進(jìn)行雜化處理，形成UHMWPE/SixOyCzHm雜化隔膜。主要研究了等離子體放電特性，不同反應(yīng)氣氛及沉積時(shí)間對(duì)雜化隔膜表面形貌、化學(xué)成分、結(jié)晶性能、熱收縮性和親水性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的梳狀電極，可快速在隔膜正反兩面同時(shí)沉積，獲得耐熱親水的UHMWPE/SixOyCzHm雜化隔膜，具有良好的應(yīng)用前景。
　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們自行設(shè)計(jì)了可以同時(shí)對(duì)隔膜進(jìn)行雙面雜化涂層處理的APECVD裝置；并對(duì)混合氣體的等離子

3、體放電特性進(jìn)行了測(cè)試。包括放電頻率、電壓、電流，并計(jì)算其功率、等離子體的發(fā)射光譜（OES）。測(cè)試結(jié)果表明，混合氣體的常壓等離子體放電以細(xì)絲放電為主，在該細(xì)絲放電中，HMDSO和 O2裂解電離生成如SiO以及SiH等活性離子，為薄膜沉積的主要前驅(qū)體。
　　通過(guò)掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope-SEM），全反射紅外光譜（attenuated total reflection Fourier in

4、frared spectrum-ATR-FTIR），X光衍射光譜（X ray diffraction spectroscopy-XRD）對(duì)雜化薄膜的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)試研究。通過(guò)SEM觀察，發(fā)現(xiàn)不同的O2/HMDSO配比對(duì)沉積隔膜的表面形貌有直接的影響。在O2氣流比例較小時(shí)，得到對(duì)隔膜纖維具有較好包覆性能的致密沉積納米顆粒薄膜；而增大 O2比時(shí)，沉積薄膜逐漸出現(xiàn)多孔的顆粒膜結(jié)構(gòu)。ATR-FTIR結(jié)果表明，涂覆的顆粒薄膜主要含有Si-O

5、-Si，SiOH，Si-CH3，Si(CH2)2等結(jié)構(gòu)，且隨著混合氣流中O2比例的不斷增加，紅外譜圖中Si-O-Si及SiOH結(jié)構(gòu)特征峰強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)，雜化隔膜的結(jié)構(gòu)可以表示為UHMWPE/SixOyCzHm形式。XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，O2/HMDSO流量比增加，2θ為31°、36°處有明顯硅基結(jié)構(gòu)的衍射峰出現(xiàn)，分別歸屬于Si-O結(jié)構(gòu)的（102）、（200）晶面衍射峰，衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，說(shuō)明提高O2/HMDSO流量比可有效的提高沉積薄膜的結(jié)

6、晶性，這一結(jié)論與前述FTIR分析結(jié)果一致，說(shuō)明涂敷層的無(wú)機(jī)特性增強(qiáng)，結(jié)晶特性有所提高。
　　研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨沉積時(shí)間延長(zhǎng)，沉積膜厚度不斷增加，沉積物質(zhì)以Si-O-Si結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)引入強(qiáng)極性官能團(tuán)-OH，Si-O-Si及SiOH結(jié)構(gòu)的紅外特征峰不斷增強(qiáng)，雜化隔膜由多孔纖維狀微納米顆粒膜結(jié)構(gòu)過(guò)渡到致密的顆粒膜結(jié)構(gòu)。
　　對(duì)UHMWPE/SixOyCzHm雜化隔膜進(jìn)行了WCA、孔隙率、透氣率、熱收縮率等性能測(cè)試，探究其在經(jīng)過(guò)雜化

7、涂層處理后，隔膜的抗熱收縮性及親水性的變化。WCA、孔隙率、透氣率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著沉積時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，親水性、孔隙率、透氣率都有一個(gè)明顯的最佳時(shí)間。隨O2/HMDSO氣流比的增加，親水性提高并達(dá)到穩(wěn)定，孔隙率和透氣率有一個(gè)較為明顯的最佳值。最佳的隔膜的熱收縮率可以降低到2~3％以下。說(shuō)明通過(guò) APECVD短時(shí)間有效處理，可顯著提高UHMWPE隔膜的各項(xiàng)性能。
　　綜上所述，通過(guò)微絲放電 APECVD涂覆處理后，制備出多孔的Si