基于靜電紡纖維的先進鋰離子電池隔膜材料的研究.pdf

1、可充電鋰離子電池具有比能量大，工作電壓高，循環(huán)壽命長，無記憶效應，安全性能好且能快速充放電等優(yōu)點，因此近年來成為新型電源技術研究的熱點。隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，在電池中起著隔離正、負電極并使電池內的電子不能自由穿過，但允許電解液中的離子在正負電極間自由通過的作用。隔膜性能的優(yōu)劣決定電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等特性。性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。
　　 本論文主要研

2、究用靜電紡絲法制備和改性先進鋰離子電池隔膜材料，包括以下幾個部分的內容：(1)用靜電紡絲和高溫固相反應相結合的方法以及溶膠-凝膠法制備鈣鈦礦型鋰快離子導體陶瓷納米材料鋰鑭鈦氧化物LLTO；(2)靜電紡鋰鑭鈦氧化物La0.55Li0.35TiO3(簡稱LLTO)/聚丙烯腈Polyacrylonitrile(簡稱PAN)復合纖維膜的制備及其電化學性能的研究；(3)靜電紡磷酸鋰鋁鈦Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(簡稱LATP)/P

3、AN復合纖維膜的制備及其電化學性能的研究；(4)靜電紡聚偏氟乙烯Polyvinylidene Fluoride(簡稱PVDF)纖維改性商用Celgard2400聚丙烯微孔隔膜的研究。
　　 本論文采用靜電紡絲和高溫固相反應相結合的方法以及溶膠-凝膠法等兩種方法制備鈣鈦礦型鋰快離子導體陶瓷納米材料鋰鑭鈦氧化物LLTO。將這兩種方法制備的鈣鈦礦型鋰快離子導體陶瓷納米材料鋰鑭鈦氧化物LLTO的晶相結構、微觀形貌和電導率等進行了對比。結

4、果發(fā)現(xiàn)，與靜電紡絲和高溫固相反應相結合的方法相比，用溶膠-凝膠法合成樣品的X射線衍射(X-Ray Diffraction)圖譜的雜峰較少，樣品的顆粒均勻，有輕微的團聚現(xiàn)象，且具有較高的離子電導率，因此本課題選用溶膠-凝膠法制備鋰快離子導體陶瓷納米材料。
　　 用靜電紡絲法制備含不同鈣鈦礦型鋰快離子導體陶瓷納米顆粒鋰鑭鈦氧化物LLTO質量百分比(0％、5％、10％和15％)的LLTO/PAN復合纖維膜。測試了靜電紡LLTO/PAN

5、復合纖維膜的電解液吸液率，發(fā)現(xiàn)隨著鈣鈦礦型鋰快離子導體陶瓷納米顆粒鋰鑭鈦氧化物LLTO含量的增加，靜電紡LLTO/PAN復合纖維膜的電解液吸液率略微增加。對電解液浸潤的靜電紡LLTO/PAN復合纖維膜的鋰離子電導率、電化學穩(wěn)定窗口以及與金屬鋰電極的界面阻抗進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)隨著鈣鈦礦型鋰快離子導體納米陶瓷顆粒鋰鑭鈦氧化物LLTO質量百分含量的增加，電解液浸潤的靜電紡LLTO/PAN復合纖維膜的鋰離子電導率增加，電化學穩(wěn)定窗口增大，與金

6、屬鋰電極的界面阻抗降低。分別用含鈣鈦礦型鋰快離子導體陶瓷納米顆粒鋰鑭鈦氧化物LLTO質量百分比為10％的靜電紡LLTO/PAN復合纖維膜、靜電紡PAN纖維膜和商用Celgard2400聚烯烴微孔膜作隔膜，以磷酸鐵鋰LiFePO4為正極，金屬鋰為負極制備鋰離子電池，并測試了制備電池的充放電性能和循環(huán)性能。結果表明，含鈣鈦礦型鋰快離子導體陶瓷納米顆粒鋰鑭鈦氧化物LLTO質量百分比為10％的靜電紡LLTO/PAN復合纖維膜的電池與其他鋰離子電

7、池相比，具有較高的首周充放電容量和穩(wěn)定的循環(huán)性能。
　　 用溶膠-凝膠法制備鈉超離子導體型Na Super Ionic Conductor(簡稱NASICON)鋰快離子導體納米陶瓷顆粒磷酸鋰鋁鈦Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(簡稱LATP)并用靜電紡絲法制備含不同NASICON型鋰快離子導體納米陶瓷顆粒磷酸鋰鋁鈦LATP質量百分比(0％、5％、10％和15％)的LATP/PAN復合纖維膜。測試了靜電紡LATP/PAN

8、復合纖維膜的電解液吸液率，發(fā)現(xiàn)隨著NASICON型鋰快離子導體陶瓷納米顆粒磷酸鋰鋁鈦LATP含量的增加，靜電紡LATP/PAN復合纖維膜的電解液吸液率略有增加。通過對電解液浸潤的靜電紡LATP/PAN復合纖維膜的鋰離子電導率、電化學穩(wěn)定窗口以及與金屬鋰電極的界面阻抗的研究，結果表明隨著NASICON型鋰快離子導體納米陶瓷顆粒磷酸鋰鋁鈦LATP質量百分含量的增加，電解液浸潤的靜電紡LATP/PAN復合纖維膜的鋰離子電導率增加，電化學穩(wěn)定窗

9、口增大，與金屬鋰電極的界面阻抗降低。用磷酸鐵鋰LiFePO4作正極，金屬鋰片作負極，分別用含質量百分比為15％的磷酸鋰鋁鈦LATP靜電紡LATP/PAN復合纖維膜，靜電紡PAN纖維膜和商用Celgard2400聚丙烯微孔膜作隔膜制備鋰離子電池，并對制備的鋰離子電池的充放電性能和循環(huán)性能進行測試，結果表明含質量百分比為15％的NASICON型鋰快離子導體納米陶瓷顆粒磷酸鋰鋁鈦LATP靜電紡LATP/PAN復合纖維膜的電池較其他電池具有較高

10、的首周充放電容量和良好的循環(huán)性能。
　　 通過靜電紡絲的方法將聚偏氟乙烯(PVDF)沉積到商用Celgard2400聚丙烯微孔隔膜上。用氬常壓等離子體對商業(yè)用Celgard2400聚丙烯微孔隔膜進行處理，發(fā)現(xiàn)等離子體處理增強了靜電紡絲聚偏氟乙烯(PVDF)纖維膜與商業(yè)用Celgard2400聚丙烯微孔隔膜之間的粘結力。對靜電紡PVDF/Celgard2400聚丙烯復合纖維膜的電解液吸液率進行測試，發(fā)現(xiàn)用靜電紡絲的方法將聚偏氟乙烯