基于高长径比纳米纤维素的锂离子电池隔膜研究

作     者：胡永志 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李永峰

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 082903[工学-林产化学加工工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0829[工学-林业工程] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：木材 细菌纤维素 高长径比 纤维素纳米纤维 电池隔膜 电化学性能 

摘      要：当前,锂离子电池主要使用的聚烯烃类隔膜存在电解液浸润性和热稳定性差的问题,且主要来源于不可再生的化石原料,难以满足高性能锂离子电池绿色低碳发展的需要。纤维素作为天然高分子材料,极性强、结构稳定性好,既具有电解液润湿性好和热稳定性强的优点,又具有来源广泛、储量丰富、可再生降解的优势。因此,纤维素具有制备新一代锂离子电池隔膜的潜力。然而,基于普通造纸用纤维素纤维的隔膜存在孔径大、强度低等问题;而由较小长径比的纳米纤维素制备的隔膜具有过于致密的结构,难以满足锂离子电池隔膜的性能要求。针对当前锂离子电池隔膜存在的问题,本论文进行了以下两个方面的探索:(1)以速生杨木作为植物纤维原料,制得长度为5 μ m、长径比达到1000的高长径比纤维素纳米纤维(CNF),并以真空抽滤法制备了不同厚度的CNF隔膜。测试结果表明,在100℃以上的温度条件下工作时,相比于商用隔膜最大42%的尺寸收缩率,CNF隔膜体积几乎没有发生变化,体现了较商用隔膜更好的热尺寸稳定性;CNF隔膜电解液吸收率、表面接触角和润湿面积分别较商用隔膜改善了2倍、4倍和8倍,呈现了较商用隔膜显著改善的电解液润湿性。其中,厚度为20 μ m的CNF隔膜对应的电池,可在0.5 C条件下循环充放电100次后,放电比容量保持在155.1 m Ah/g;2 C循环100周后,比容量维持在138.2 m Ah/g;负载量为7.64 mg/cm时,0.5 C循环50周后,比容量稳定在152.3 m Ah/g,优于同批次的商用隔膜电池,体现了良好的电化学性能。(2)以细菌纤维素为原料,制得长度达数十微米、长径比超过1000的高长径比细菌纤维素纳米纤维(BC),再经真空抽滤法制备了不同厚度的BC隔膜。测试结果表明,在160℃温度条件下工作时,BC隔膜未发生明显变化,呈现了良好的热尺寸稳定性;BC隔膜的电解液吸收率、表面接触角和润湿面积分别较商用隔膜改善了4倍、3倍和2倍,体现了更优异的电解液润湿性。当BC隔膜厚度为20 μ m时,对应的电池在0.5 C条件下循环充放电100次后,库伦效率达到99%,放电比容量保持在155.2 m Ah/g;2 C循环100周后,比容量维持在137.0 m Ah/g;负载量为7.64 mg/cm时,0.5 C循环50周后,比容量稳定在152.6 m Ah/g,优于同批次的商用隔膜电池,同样体现了良好的电化学性能。由此表明,以杨木纤维素和细菌纤维素为原料,均可以制得长径比大于1000的高长径比纤维素纳米纤维;它们对应的电池隔膜都具有优于商用聚烯烃类隔膜的电解液润湿性、热稳定性及电化学性能。该项研究为基于绿色可持续资源构筑下一代锂离子电池隔膜提供了新的技术途径。