關(guān)于一種聚烯烴隔膜的改性方法研究,電力論文

關(guān)于一種聚烯烴隔膜的改性方法研究,電力論文關(guān)于一種聚烯烴隔膜的改性方式方法研究關(guān)于鋰離子電池的論文范文：關(guān)于一種聚烯烴隔膜的改性方式方法研究?jī)?nèi)容摘要：鋰離子電池憑借其優(yōu)異的特性得到迅速發(fā)展，在鋰電池的構(gòu)造中，隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一，其采用塑料膜制成，性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能具有非常重要的作用。聚烯烴類材料因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)成為了商業(yè)化的隔膜材料之一。然而，聚烯烴類隔膜的性能還有待于進(jìn)一步提高。文章研究了一種聚烯烴隔膜的改性方式方法，增加了聚烯烴類隔膜對(duì)電解液的潤(rùn)濕性能，進(jìn)而提高了由其制備的鋰離子電池的安全性能，解決了聚烯烴隔膜亟待解決的難題。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：鋰離子電池；隔膜；聚烯烴；潤(rùn)濕性能；作者簡(jiǎn)介：袁玉玲〔1990-〕，女，山東臨沂人，本科，研究方向：電化學(xué)。；Abstract:Lithiumionbatterieshavedevelopedrapidlyduetotheirexcellentcharacteristics.Inthestructureoflithiumbatteries,thediaphragmisoneofthekeyinnercomponents,whichismadeofplasticfilm.Aseparatorwithexcellentperformanceplaysaveryimportantroleinimprovingtheoverallperformanceofthebattery.Polyolefinmaterialshavebecomeoneofthecommercialdiaphragmmaterialsduetotheirexcellentmechanicalpropertiesandchemicalstability.However,theperformanceofpolyolefinseparatorsneedstobefurtherimproved.Thispaperstudiesamodificationmethodofpolyolefinseparator,whichincreasesthewettabilityofthepolyolefinseparatortotheelectrolyte,therebyimprovingthesafetyperformanceofthelithiumionbatterypreparedfromit,andsolvingtheurgentproblemsofpolyolefinmembranes.Keyword:lithiumionbattery;separator;polyolefin;wettability;0引言鋰離子電池作為將來(lái)新能源的主要能源之一，因具有能量密度高、壽命較長(zhǎng)、組成材料環(huán)境友好等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、航空航天、儲(chǔ)能以及動(dòng)力汽車等領(lǐng)域[1].華而不實(shí)，電池隔膜是指在鋰離子電池正極與負(fù)極中間的聚合物隔膜，是鋰離子電池最關(guān)鍵的部分之一[2],它的主要作用是將電池的正、負(fù)極分隔開(kāi)來(lái)，作為兩極絕緣阻擋層，防止電池內(nèi)短路，同時(shí)使電解質(zhì)離子通過(guò)，因而隔膜的性能好壞決定了電池的界面構(gòu)造、內(nèi)阻、電池容量、循環(huán)及安全性能等特性，尤其對(duì)于鋰離子電池的安全性能起著至關(guān)重要的作用[3,4].由于聚烯烴隔膜具有較高孔隙率、較低的電阻、較高的抗撕裂強(qiáng)度、較好的抗酸堿能力、良好的彈性及對(duì)非質(zhì)子溶劑的保持性能，因而聚烯烴隔膜成為最主要的鋰離子電池隔膜材料。然而，由于聚烯烴類隔膜性能還有待于進(jìn)一步提高，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前很多學(xué)者對(duì)聚烯烴隔膜進(jìn)行外表改性工作，進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能[5,6],文章研究了一種鋰離子電池聚烯烴隔膜的改性方式方法，采用聚酰亞胺作為聚合物對(duì)聚丙烯隔膜進(jìn)行改性，在聚丙烯隔膜外表構(gòu)成較薄的聚合物改性復(fù)合隔膜。1鋰離子電池聚烯烴隔膜的概述1.1鋰離子電池聚烯烴隔膜的性能要求電池的容量、循環(huán)性能和充放電電流密度等關(guān)鍵性能都與隔膜有著直接的關(guān)系，隔膜性能的改善對(duì)提高鋰離子電池的綜合性能起著重要的作用。因而，提高鋰離子電池的安全性，保證電池的安全平穩(wěn)運(yùn)行，制備隔膜的材料必須知足下面條件?！?〕化學(xué)穩(wěn)定性。隔膜的化學(xué)穩(wěn)定性是隔膜不與電解質(zhì)、電極材料發(fā)生反響。隔膜在電解液中應(yīng)當(dāng)保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，在強(qiáng)氧化和強(qiáng)復(fù)原的條件下，不與電解液和電極物質(zhì)反響。隔膜的化學(xué)穩(wěn)定性是通過(guò)測(cè)定耐電解液腐蝕能力和脹縮率來(lái)評(píng)價(jià)的?！?〕潤(rùn)濕性。潤(rùn)濕性是隔膜具有保持電解液的能力，遇電解質(zhì)易于浸潤(rùn)且不伸長(zhǎng)、不收縮。隔膜的潤(rùn)濕性不好會(huì)增加隔膜和鋰電池的電阻，影響鋰電池的循環(huán)性能和充放電效率?！?〕熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性主要是耐高溫，具有較高的熔斷隔離性。鋰電池在充放電經(jīng)過(guò)中會(huì)釋放熱量，尤其在短路或過(guò)充電的時(shí)候，會(huì)有大量熱量放出。因而，當(dāng)溫度升高的時(shí)候，隔膜應(yīng)當(dāng)保持原來(lái)的完好性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，繼續(xù)起到正負(fù)電極的隔離作用，防止短路的發(fā)生。隔膜需要在鋰電池使用的溫度范圍內(nèi)保持熱穩(wěn)定。一般來(lái)講當(dāng)前以PE、PP材料為主的聚烯烴類隔膜均能夠知足上述溫度下的使用要求?！?〕力學(xué)性能。力學(xué)性能主要包括穿刺強(qiáng)度、混合穿刺強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。隔膜材料不僅要承受電池工作經(jīng)過(guò)中遭到電極混合物的刺穿力，也要知足在生產(chǎn)經(jīng)過(guò)中因蜷曲纏繞、包裝、制成時(shí)的物理沖擊、穿刺、磨損、壓縮和拉伸外力，對(duì)于防止電池短路有著重要的作用?！?〕孔隙率?？紫堵适侵覆牧蟽?nèi)微孔的體積占材料總體積的百分?jǐn)?shù)，與電池隔膜的透氣性、吸液率、電化學(xué)阻抗性有密切的聯(lián)絡(luò)，較高的孔隙率以知足粒子導(dǎo)電的需求?？紫堵士捎迷谝欢〞r(shí)間和壓力下通過(guò)隔膜氣體的量的多少來(lái)表征，主要反映了鋰離子透過(guò)隔膜的通暢性。1.2鋰離子電池聚烯烴隔膜的改性研究〔1〕聚烯烴外表改性。聚烯烴膜外表改性的方式方法是在聚烯烴隔膜外表引入功能基團(tuán)或涂覆功能涂層，提高隔膜外表性能，增加外表的粘接性能，進(jìn)而改善傳統(tǒng)隔膜性能。傳統(tǒng)的聚烯烴外表改性方式方法有化學(xué)改性和物理改性法，但由于傳統(tǒng)方式方法難以控制隔膜厚度且后處理工藝比擬復(fù)雜，因而尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。近年來(lái)，采用等離子體和高能輻射外表改性方式方法對(duì)聚烯烴隔膜進(jìn)行外表預(yù)涂層改性處理，通過(guò)改變聚烯烴微孔膜的外表特性，不僅能夠保持其本體特性且不影響隔膜微孔構(gòu)造等性能，還能夠到達(dá)改善隔膜性能的目的?！?〕聚烯烴復(fù)合隔膜改性。聚烯烴隔膜固然具有較好的力學(xué)性能，但在熱穩(wěn)定性以及對(duì)電解液的潤(rùn)濕性等方面存在缺陷。為了改善聚烯烴隔膜的熱穩(wěn)定性和潤(rùn)濕性，提高其在最終使用時(shí)對(duì)鋰離子電池安全性能。因而，以聚烯烴為基材，選擇熱穩(wěn)定性好以及對(duì)電解液潤(rùn)濕性較好的材料對(duì)聚烯烴隔膜進(jìn)行復(fù)合改性，目的是為了獲得最終性能優(yōu)異的復(fù)合改性隔膜，已成為當(dāng)前研究的主要方向。當(dāng)前，聚烯烴隔膜復(fù)合改性最常用的方式方法是將無(wú)機(jī)陶瓷顆粒涂覆在聚烯烴基膜上，涂覆無(wú)機(jī)陶瓷顆粒的復(fù)合改性隔膜在一定程度上提高了聚烯烴隔膜的熱穩(wěn)定性和潤(rùn)濕性，進(jìn)而提高了鋰離子電池的安全性，但由于陶瓷顆粒易團(tuán)圓與基材的結(jié)合性能較差，容易導(dǎo)致陶瓷涂層脫離，影響鋰電池的循環(huán)性能?；跓o(wú)機(jī)陶瓷復(fù)合隔膜存在的缺點(diǎn)，在隔膜的制備方式方法經(jīng)過(guò)中通過(guò)工藝改良在一定程度上改善復(fù)合隔膜的缺乏之處?！?〕聚烯烴隔膜工藝方式方法改性。當(dāng)前，現(xiàn)有聚烯烴隔膜制備方式方法常用的主要有干法改性和濕法改性，在國(guó)內(nèi)主要推行的是濕法隔膜及其涂覆隔膜。干法制備的隔膜熱穩(wěn)定性較好、工藝簡(jiǎn)單且無(wú)污染，但存在孔隙率較小、孔徑不均勻等缺陷；濕法隔膜存在成本較高，透氣性較小，熱收縮較大等缺點(diǎn)導(dǎo)致其生產(chǎn)的鋰離子電池安全性能降低。為了改善干法改性和濕法改性存在的缺乏。同時(shí)一方面為了提高聚烯烴隔膜本身的耐熱性能，另一方面提升其對(duì)電解液的潤(rùn)濕性能，國(guó)內(nèi)外開(kāi)場(chǎng)重點(diǎn)研究關(guān)于聚烯烴隔膜工藝改性的方式方法。2鋰離子電池聚烯烴隔膜的改性方式方法2.1試驗(yàn)材料與試劑〔1〕試驗(yàn)材料。聚烯烴隔膜選自日本旭化成公司市售的單層聚丙烯微孔隔膜，聚合物選自東莞錦湖塑膠原料有限公司市售的聚酰亞胺?！?〕試驗(yàn)試劑。粘合劑購(gòu)買(mǎi)自法國(guó)阿科瑪公司的聚偏氟乙烯〔PVDF〕，有機(jī)溶劑購(gòu)買(mǎi)自上海乾潤(rùn)化工有限公司的二甲基甲酰胺〔DMF〕。2.2聚烯烴隔膜的改性方式方法〔1〕聚合物多孔膜的制備。將聚合物聚酰亞胺溶于二甲基甲酰胺有機(jī)溶劑中，在室溫條件下攪拌至完全溶解，獲得可溶性聚合物溶液，在20kV電壓條件下將可溶性聚合物溶液通過(guò)靜電紡絲法制成聚合物多孔膜。〔2〕對(duì)聚丙烯隔膜的外表改性處理。對(duì)聚丙烯隔膜的兩個(gè)外表進(jìn)行改性處理，首先涂覆質(zhì)量濃度為0.5%的聚偏氟乙烯粘合劑溶液，然后應(yīng)用等離子輻射法，對(duì)聚丙烯隔膜外表改性處理時(shí)間為30min,使聚丙烯隔膜外表具有更好的界面粘結(jié)力[7].〔3〕復(fù)合改性聚烯烴隔膜的成型。質(zhì)量濃度為0.5%的聚偏氟乙烯粘合劑溶液用擠壓涂覆的方式方法轉(zhuǎn)移至聚合物多孔膜的外表，然后復(fù)合到改性后的聚丙烯隔膜的兩個(gè)外表，在溫度50℃和壓力0.5MPa的作用下，貼合成型1min后進(jìn)行枯燥，獲得復(fù)合改性聚烯烴隔膜。3鋰離子電池聚烯烴隔膜改性后的性能研究3.1改性后聚烯烴隔膜的潤(rùn)濕性能潤(rùn)濕性能是指聚烯烴隔膜對(duì)電解液的吸收程度，通常用接觸角來(lái)表示潤(rùn)濕性能的好壞。當(dāng)前，現(xiàn)有改性后的聚烯烴隔膜的電解液接觸角最高可達(dá)為120°，而通過(guò)聚合物復(fù)合改性后的聚烯烴隔膜幾乎能夠到達(dá)外表的完全鋪展?jié)櫇?。由此可知，采用聚合物?fù)合改性能夠顯著提高聚烯烴隔膜的電極液潤(rùn)濕性能，進(jìn)而提高了隔膜電解液的親和性。3.2改性后聚烯烴隔膜的力學(xué)性能抗穿刺強(qiáng)度是用來(lái)表征隔膜力學(xué)性能的一個(gè)參數(shù)，通過(guò)用來(lái)戳穿隔膜樣品測(cè)得最大值來(lái)評(píng)估隔膜的耐穿刺強(qiáng)度，表示隔膜在后期使用經(jīng)過(guò)中發(fā)生短路的趨勢(shì)，根據(jù)理論經(jīng)歷體驗(yàn)，鋰離子電池所用聚烯烴隔膜的穿刺強(qiáng)度至少要到達(dá)11.8kg/mm,經(jīng)過(guò)聚合物復(fù)合改性聚烯烴隔膜其穿刺強(qiáng)度可提升10%~20%.3.3改性后聚烯烴隔膜的電化學(xué)性能電化學(xué)性能一般用離子電導(dǎo)率表示，離子電導(dǎo)率取決于隔膜對(duì)電解液的吸收程度。改性后的聚烯烴隔膜的潤(rùn)濕性能提高，有利于離子在電解液界面的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提高離子電導(dǎo)率。與現(xiàn)有的非改性聚烯烴隔膜相比，經(jīng)過(guò)聚合物復(fù)合改性聚烯烴隔膜的離子電導(dǎo)率提升40%~60%.3.4改性后聚烯烴隔膜的熱穩(wěn)定性能隔膜的熱穩(wěn)定性是通過(guò)測(cè)定熱收縮率來(lái)評(píng)價(jià)的，熱收縮率是將隔膜浸漬在電解液中檢測(cè)機(jī)械尺寸的變化。經(jīng)過(guò)現(xiàn)有文獻(xiàn)比照，大多數(shù)現(xiàn)有的聚烯烴隔膜在進(jìn)行熱收縮測(cè)試時(shí)，當(dāng)溫度到達(dá)130℃時(shí)就開(kāi)場(chǎng)發(fā)生熱收縮，而經(jīng)過(guò)聚合物復(fù)合改性聚烯烴隔膜其熱收縮性明顯減小，溫度升高至170℃都不發(fā)生熱收縮現(xiàn)象。由此可知，聚合物復(fù)合改性聚烯烴隔膜機(jī)械尺寸的穩(wěn)定性明顯優(yōu)越于常規(guī)的聚烯烴隔膜。4結(jié)束語(yǔ)綜上所述，通過(guò)外表改性、復(fù)合改性以及工藝改性的方式均能夠?qū)崿F(xiàn)聚烯烴隔膜性能提升的目的，使其在最終使用時(shí)對(duì)鋰離子電池性能得到提升?；诋?dāng)前聚烯烴隔膜本體性能存在的缺乏之處，為了提高其最終使用時(shí)對(duì)鋰離子電池的安全性能，文章采用復(fù)合改性的方式方法，以聚丙烯為基體，聚酰亞胺為聚合物，研究了聚合物改性復(fù)合鋰離子電池聚烯烴隔膜的改性方式方法，在保證聚烯烴隔膜力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，有效地提高了聚烯烴隔膜的電解液潤(rùn)濕性能和熱穩(wěn)定性能，并極大地提升了由聚烯烴隔膜制備的鋰離子電池的安全性能。以下為參考文獻(xiàn)[1]儲(chǔ)健，虞鑫海，王麗華國(guó)內(nèi)外鋰離子電池隔膜的研究進(jìn)展[J]合成技術(shù)及應(yīng)用，2020,35〔02〕：24-29.[2]洪柳婷，王莉，葉海木，等聚烯烴鋰離子電池隔膜的研究進(jìn)展[J]分子通報(bào)，2021〔06〕：59-67.[3]姜文林，班玉，姜文