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论文解读

 

随着信息、材料和能源技术的不断进步,锂电池因其循环寿命长、能量密度高、充放电速度快等特点,成为近年来新型电源技术研究和应用的热点。锂电池中的隔膜位于正负极之间,在避免两者直接接触的同时,允许锂离子在正负极之间快速移动,以实现充放电。隔膜的性能直接影响电池的循环和安全性能。

 

锂电池结构示意图

 

目前,常规的微孔聚烯烃隔膜由于其化学稳定性好、机械强度高等优点,在锂电池中应用最为广泛。然而,其热稳定性差,孔隙率低,使电池在充放电过程中存在安全隐患。因此,研究具有耐高温性和较强热稳定性的隔膜,对于大大提高锂电池的工作温度范围和安全性具有重要意义。

 

青岛大学龙云泽团队通过静电纺丝技术和滚动键合制备了 SiO2/PVDF-HFP 复合多孔纤维膜(SPF),并将这一研究成果:静电纺高耐热无机/有机复合非织造布锂离子电池隔膜,发表在著名期刊《Journal of Nanomaterials》上。

 

 

这种复合多孔纤维膜(SPF)的机械强度是纯 SiO2 纳米纤维膜的两倍,同时具有优异的热稳定性和热闭孔功能,使用 SPF 制备的锂离子电池的循环和速率性能得到了显著改善。

 

SPF 复合多孔纤维膜 (a) 开启状态 (b) 闭合状态

 

从纳米纤维的扫描电镜图中可以看出,SiO2 纳米纤维的平均直径小于 PVDF-HFP,而且 PVDF-HFP 纤维相对较直。

 

 

左:SiO2 纳米纤维膜;右:PVDF-HFP 纳米纤维膜

 

从复合膜横截面的电镜微观形貌图中可以看出,SPF 复合膜具有良好的纤维细度。复合纤维膜的孔隙是由纤维的随机分布形成的,孔径分布相对均匀。

 

 

SPF 复合纤维膜放大 1500 倍 (左)、800 倍 (右) 电镜图像

 

将 SPF 复合膜在 150°C、160°C、170°C 和 180°C 下热处理 20 分钟后,分别观察 PVDF-HFP 纳米纤维膜表面 SEM 图像(a-d)、SiO2 纳米纤维膜表面 SEM 图像(e-h)、SPF 复合膜横截面 SEM 图像(i-l)。在l图中,可以观察到 SiO2 表面形成致密的无孔膜。这种闭孔现象具有巨大的潜力和应用,在解决锂电池高充放电率引起的热安全问题方面具有前瞻性。

 

 

此外,SPF 复合膜的孔隙率和电解质吸收率远高于传统 PE 隔膜,机械强度也比纯 SiO2 膜提高了一倍以上,同时保持了自身的热稳定性,可极大促进无机膜在锂离子电池中的实际应用。

 

SPF 复合隔膜与纯 SiO2 隔膜的机械强度结果对比

 

SPF 复合隔膜两侧与 PE 隔膜的接触角变化

 

SPF 复合隔膜制备电池充放电曲线 (左) 及库仑效率 (右) 变化

 

本文在纯静电纺丝  SiO2  纳米纤维膜的基础上,使用静电纺丝高分子 PVDF 纳米纤维进行增强复合,提高了无机/有机纳米纤维复合膜的力学强度,同时具有热闭孔功能,提升热稳定性。使用该 SPF 纳米纤维复合膜作为锂电池隔膜,可极大高锂电池的安全性。

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