锂离子电池用高性能复合隔膜的制备及性能研究

作     者：高志浩 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张健敏

授予年度：2022年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：锂离子电池 聚偏氟乙烯 复合隔膜 相转化法 

摘      要：锂离子电池因其高比能量、环境友好、无记忆效应、循环使用寿命长等优势,现已被成功应用于便携式电子设备、电动汽车和军事国防等众多领域。作为电池的关键内层组件,隔膜置于正负极之间,能够避免因二者直接接触引发的内部短路,同时浸润电解液为锂离子正常迁移提供所需通道,所以隔膜的设计和使用会显著影响到锂离子电池的相关性能。虽然目前商业化的聚烯烃类隔膜具有出色的机械强度和电化学稳定性,但是对电解液的亲和性比较弱,无法满足锂离子电池大倍率充放电的要求;另外聚烯烃类隔膜较差的热稳定性不利于电池安全性能的改善。因此本文针对以上问题,选用综合性能优异的聚偏氟乙烯(PVDF)材料为基体,将自制的二维氢氧化镍(Ni(OH))、氢氧化镁(Mg(OH))纳米片作为添加物,成功制备出两种有机-无机高性能复合隔膜,并将其应用在锂离子电池体系中,从隔膜的角度为提高锂离子电池倍率及安全性能提供了一套可行方案。主要工作如下:一、采用相转化法制备出PVDF/Ni(OH)复合隔膜,并探究二者的共混比例对隔膜及其组装的电池性能的影响。实验结果表明,当PVDF与Ni(OH)的质量比为10:3时,PVDF/Ni(OH)复合隔膜(即PN3)的综合性能最优,其中隔膜的极性β相含量高达85.0%、吸液率为327.6%、离子电导率提升至1.5 m S/cm。装有PN3复合隔膜的锂离子电池表现出十分优越的循环和倍率性能,以2C倍率循环充放电100圈后容量保持率仍有96.5%;在4C倍率下可以输出103.3 m Ah/g的高容量,而由聚烯烃隔膜组装成的电池的放电比容量仅有80.5 m Ah/g。二、在上述研究工作的基础上,继续往混合体系中加入Mg(OH)纳米片,使复合隔膜增添了阻燃效果(极限氧指数可达到37.4%)。测试发现20 wt%的Mg(OH)添加量不仅可以提高复合隔膜(即PN3-M20)的热稳定性(150 C下几乎无尺寸收缩),而且不会过多破坏隔膜的机械强度。装有PN3-M20复合隔膜的对称电池在0.5 m A/cm的电流密度下保持了长达500 h的稳定电压,展现出与锂电极之间优越的相容性,所以此复合隔膜能够从不同方面对锂离子电池的安全性能进行有效改善。