SiC掺杂PVDF-HFP的改性研究及其作锂离子电池隔膜的应用

作     者：马令 

作者单位：成都大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周文俊;范未峰

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0702[理学-物理学] 

主      题：碳化硅 聚偏氟乙烯-六氟丙烯 复合隔膜 热力学稳定性 高安全锂电池 

摘      要：在环境污染和传统的不可再生能源消耗日益严峻的情况下,找到一种无污染、可持续的绿色能源作为传统能源的替代品成为当选能源领域研究的一大热点。太阳能、风能等诸多新型能源中,锂电池由于其能量密度大、输出电压高、输出功率大、无记忆效应等优点而受到广泛的关注。隔膜是锂离子电池(LIBs)的主要组成部分之一,其性能直接影响LIBs的电化学性能与工作稳定性。聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)隔膜具有较好的耐高温、耐腐蚀和电化学性能等优点,但其热稳定性和机械强度仍有待改善。基于金刚砂(SiC)具有强度、硬度高、耐磨性好、抗氧化性能好的特点。在无机材料中,SiC的硬度排行第四,仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼。由于SiC具有强度、硬度高、耐磨性好、抗氧化性能好的特点,本论文采用SiC纳米颗粒掺杂普通PVDF-HFP隔膜,进一步提高膜的吸液率和孔隙率,根据SiC与PVDF-HFP的不同掺杂比,制备了改性SiC/PVDF-HFP人工复合膜,然后组装成LFP电池进行了各种测试,结果表明改性复合膜不仅能满足LIBs正常工作的电化学性能要求,同时改善了负极表面锂离子的沉积均匀性,有效抑制了枝晶的生长,LIBs的循环稳定性大大提高。本论文采用SiC纳米颗粒对PVDF-HFP隔膜进行掺杂改性,合成了一种用于锂离子电池的SiC/PVDF-HFP复合隔膜,该隔膜具有较高的热力学稳定性。通过聚合物隔膜(PVDF-HFP隔膜和Celgard2500隔膜)与SiC/PVDF-HFP隔膜对比研究。以PVDF-HFP为基体材料,通过非溶剂致相分离法制备了不同掺杂比例的SiC掺杂隔膜。确定了隔膜的成型工艺,探究了不同SiC掺杂比例对隔膜性能的影响,并将其与PVDF-HFP隔膜、商用隔膜进行比较,进行了测试表征。建模计算进行理论分析以及通过锂对称电池的研究探究了隔膜内部锂枝晶的结构。通过掺杂改性提升了电池隔膜的热力学稳定,电化学性能以及抑制锂枝晶刺穿作用,从而提升了锂电池的安全性。该策略为高温耐冲击的高安全锂电池复合隔膜提供了一种可行的解决方案。