幾丁質納米纖維基鋰離子電池隔膜的制備及其性能研究

幾丁質納米纖維基鋰離子電池隔膜的制備及其性能研究隔膜是鋰離子電池的關鍵部分,能夠分隔正負極材料,對于提高鋰離子電池的電化學性能和安全性有著重要的作用。微孔聚烯烴隔膜目前被廣泛應用于鋰離子電池中,這主要得益于他們具有較好的機械強度、高電化學穩(wěn)定性和適當的孔隙率。然而,這類隔膜依然存在一些問題:1、熱穩(wěn)定性差,由于聚烯烴本身熔點較低,導致其在電池溫度升高時,會發(fā)生嚴重的熱收縮,不僅限制其工作溫度,同時也給鋰離子電池帶來安全隱患。2、電解液浸潤性差,由于聚烯烴隔膜是非極性的,其與極性電解液的浸潤性較差,這在一定程度上會導致電解液中離子的不均勻擴散,對鋰離子電池的電化學性能有一定影響。3、環(huán)保性差,聚烯烴基隔膜的原料主要來自于日益減少的化石燃料,由于其不可再生和生物不可降解,隨著鋰離子電池市場的擴展,這將導致一系列的環(huán)保問題。為了解決上述聚烯烴基隔膜存在的問題,我們將目光轉向了生物質納米纖維基隔膜,因為它們具有較好的電解液浸潤性、高熱穩(wěn)定性、高機械強度以及低廉的價格。然而,生物質納米纖維基隔膜依然存在一些問題:1、離子電導率低,由于生物質納米纖維表面存在大量的羥基基團,會使其在成膜時,纖維與纖維之間形成大量氫鍵,形成致密無孔的納米纖維膜,從而影響鋰離子傳輸。2、吸濕性強,由于纖維素表面的羥基對水具有較強的親和性,從而導致生物質納米纖維隔膜容易吸收環(huán)境中的水分,從而組裝電池前都要經過高溫處理,增加了鋰離子電池制備的成本。因此,制備具有高鋰離子傳導且吸濕率低的生物質納米纖維隔膜成為本研究的重點和難點。本文中,我們以幾丁質納米纖維為例,提出犧牲模板法,表面化學修飾法以及表面涂覆法等,制備了幾種幾丁質納米纖維基隔膜,并對其性能進行了評估。主要研究內容總結如下:1.利用從蝦殼中提取的幾丁質納米纖維結合“鹽模板”的方法制備了一種新型多孔薄膜用于鋰離子電池中。通過改變檸檬酸二氫鈉(SDCA)在幾丁質納米纖維懸浮液中的含量能夠實現多孔薄膜納米孔結構的可控調節(jié)。研究了不同SDCA含量制備的多孔膜的孔隙率、電解液吸附量、電解液浸潤性、離子電導率等相關物理參數的變化規(guī)律。進一步,組裝了LiFePO4/Li半電池對幾丁質納米纖維膜的性能進行評估。結果表明,其性能與商業(yè)聚丙烯多孔隔膜相當,甚至在某些方面(如熱穩(wěn)定性)性能更加優(yōu)異。我們提出的利用可再生幾丁質納米纖維制備電池隔膜的設想,將為鋰/鈉離子電池的可持續(xù)發(fā)展提供參考。2.在制備多孔幾丁質納米纖維膜的研究基礎上,我們進一步提出了表面功能化修飾的策略,制備出了致密的氰基修飾的幾丁質納米纖維(CCN)膜。這種CCN膜不僅具有高機械強度,而且由于離子和隔膜表面氰基的特殊作用使其具有高的離子電導率。CCN隔膜的離子電導率和鋰離子遷移數分別為0.45mS/cm和0.62,大約分別是沒有修飾幾丁質納米纖維膜的13倍和2.5倍。考慮到CCN隔膜所具有的性能優(yōu)勢和大規(guī)模生產的潛力,我們認為CCN隔膜是很有希望應用于高性能和高安全的鋰離子電池中。3.在氰基修飾制備的致密幾丁質納米纖維膜基礎上,我們通過簡單蘸涂的方法,制備出了氰基修飾幾丁質納米纖維/聚偏氟乙烯-六氟丙烯(CCN/PVDF-HFP)復合膜。這種具有PVDF-HFP聚合物涂層結構的復合膜,一方面使復合隔膜對鋰金屬穩(wěn)定,另一方面由于PVDF-HFP具有一定憎水性