锂离子电池用纳米复合隔膜制备及机械动力性能研究文献综述

 2023-04-10 05:04

文献综述

背景意义目前在双碳目标引领下,锂离子电池由于具有能量密度高、寿命长、自放电率低、环境友好等绿色、高效优点,作为新型能源器件在电源、电车等能源和电气电子领域发挥重要作用。

然而,锂离子电池安全性能与热稳定性、机械强度、表面性质相关,其易热、易燃等特点成为影响其安全性能的重要因素之一[1,2]。

隔膜作为电池的重要成分之一,起到防止阴、阳两极内部接触短路和允许离子在电解质中通过孔快速传输的作用,会直接影响电池充放电、寿命、安全性等。

为满足性能需求,本研究引入良好热化学稳定性和浸润性的PAN,低界面阻抗、高电导率和浸润性的PVDF-HFP和理想阻燃材料勃姆石,制备基于PAN(聚丙烯腈)、PAN/PVDF-HFP(聚丙烯腈/聚偏氟乙烯-六氟丙烯)、BM(勃姆石)增强PAN/PVDF-HFP三种隔膜并展开研究,通过对比实验获得更安全、更高性能电池隔膜。

国内外研究现状LIBs中的多孔隔膜多为聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚丙烯腈 (PAN)、聚乙烯醇(PVA)、聚环氧乙烷 (PEO)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等等聚合物,研究内容广阔[3,4],其中国内外对于PAN、PVDF-HFP和BM隔膜掺杂物在隔膜中的应用研究现状大体如下:1. 针对聚烯烃隔膜低熔点、低极性、低机械强度、低浸润性、孔隙率差等问题:1)肖伟,杨占旭,乔庆东等[5]采用静电纺丝技术在石墨电极表面制备PAN纳米隔膜,并与传统结构电池的充放电性能进行对比,得到:该隔膜能够通过孔道优势得到较好机械强度、较佳结构稳定性,优异电解液性能,良好力学和热稳定性,与传统 PE膜(容量保持率93%)相比容量保持率为98%2)金欣,赵超,李子晗,王闻宇等[6]选用PAN、PVDF为原料,制备了PAN/PVDF/PAN三层复合结构隔膜,通过扫描电镜,差视扫面量热仪、表面接触角测量及吸液性能测试对其形貌、热性能、浸润性、湿润性、电导率及力学性能进行研究表征,并对其电化学性能进行测试分析,与商业聚烯烃隔膜相比具有良好的浸润性能和热稳定性,所组装电池具有较好的充放电性能和电容保持率。

3)Qingyun Wu等[4],为获取一种均匀多孔、高机械强度、高浸润性隔膜,将热诱导分离法(TIPS)与PAN/PVDF结合,采用TIPS法制备了一系列PVDF/PAN共混隔膜,引入DMSO2(二甲基砜) 、PEG400(聚乙二醇)作为结晶稀释剂、相容剂,增强了抗拉强度提高了隔膜机械和热稳定性;但孔径和孔隙率会随着 PAN 含量的增加而减小,影响电解质吸收;同时离子电导率随着隔膜中PAN的增加而降低。

2.PVDF-HFP复合材料存在不理想的电导率、低机械性能、高热收缩、不稳定的倍率放电性能等特性,国内外针对PVDF-HFP隔膜在锂离子电池中的研究,主要集中在引入其他材料进行掺杂、包覆、对其改性或对隔膜制作工艺进行优化,以达到性能提高的应用目的,如:1)韩玉培[7]基于PVDF-HFP隔膜展开研究,制备了PVDF-HFP/丙酮胶体溶液,并通过电泳沉积技术得到了高机械强度和柔韧性的PVDF-HFP电泳隔膜;后提出并制备了基于大蒜中有机硫化物和无机盐的大蒜成分/PVDF-HFP复合隔膜,在进一步提高浸润性和柔韧性的同时减少了副反应发生,有效提高了锂离子电池的安全性和电化学性能。

2)赵艳青[8]利用静电纺丝技术,以PVDF-HFP和PEO(氧化乙烯)为聚合物本体,借助PEO对离子液体和盐的络合作用、离子液体对PVDF-HFP类似增塑剂的作用和湿沙电解质的作用通过两者相互作用,降低了复合膜的结晶度,提高其弹性模量、拉伸强度和应变。

3)Kaili Luo等[9],针对凝胶聚合物电解质(GPEs)引入LATP(Li1.7Al0.3Ti0.3Ti1.7(PO3)4)这一活性无机填料改性PAN/PVDF,得到具有15wt%LATP的PPL薄膜表现出最佳性能,在30C时具有9.410-3S cm-1的高吸液性和离子电导率;此外,15wt%LATP的PPLGPEs表现出良好的力学性能,能有效提高GPEs与界面的稳定性。

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