纤维素基复合隔膜的研究设计与应用

作     者：张佳锦 

作者单位：武汉工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗晓刚

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] 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：锂电池 隔膜 纤维素 共混 

摘      要：锂电池因为能量密度高、循环寿命长等优点成为最有潜力的可替代能源储存设备。隔膜作为电池的关键材料之一,起到防止电池中正负极接触的作用。聚烯烃隔膜由于优异的化学稳定性和机械强度是最常用的商用电池隔膜之一,但是本身的疏水性能使其不能完全被电解液浸润,进而导致出现较低的离子电导率和Li转移数,并且在高温条件下极易发生收缩,会引起正负极接触发生火灾或者爆炸的危险。因此,需要寻找热稳定性好、高离子电导率、高Li转移数和能控制离子运输的功能隔膜来代替聚烯烃隔膜。纤维素作为一种来源丰富,可再生,可降解的高分子材料,因为其优良的润湿性、尺寸稳定性、理化性质稳定和介电常数高等优良特性备受关注。论文主要内容如下:（1）以高纯度的纤维素为原材料,通过一种Na OH/尿素体系对纤维素进行溶解,通过共混法制备了聚乙烯醇/纤维素复合隔膜。系统地研究了它的基本性能和使用该隔膜组装的电池的电化学性能。PVA与纤维素通过氢键缔合、相互渗透、紧密结合,削弱了O-Li之间的相互作用。测试结果表明PC（PVA/Cellulose）隔膜有着均一的孔结构,润湿角为13.2°,润湿性能优异。同时PC隔膜也表现出良好的热稳定性和电化学性能,1 C下循环100次后电池放电比容量为126.2 m Ah·g。（2）将SBA-15介孔粒子分散于Na OH/尿素体系中,以此混合溶液溶解纤维素,采用流延法制备SBA-15/纤维素复合隔膜。系统地研究了其基本性能和使用该隔膜组装电池的电化学性能。SBA-15作为硅基材料具有耐热性,因此SBA-15/CM隔膜具有优异的热稳定性可以解决传统隔膜在高温下收缩所带来的安全问题。此外SBA-15/CM隔膜组装的电池显示出期望的循环和倍率性能,0.5 C下仍能保持143.6 m Ah·g的放电比容量。（3）通过共混法制备了UIO-66/CM和UIO-66（Ce）/CM复合隔膜,系统地研究了它的基本性能和使用该隔膜组装的电池的电化学性能。UIO-66的Lewis酸性位点通过吸引PF阴离子促进锂盐的解离,连接基中的亲PF基团（-NH）通过氢键作用固定电解质中的阴离子,进而促进阳离子迁移。氢键作用协同UIO-66（Ce）提供的OMS（open metal sites）对溶剂分子和阴离子的吸附作用,加速了Li的传输,200次循环后UIO-66（Ce）/CM隔膜的放电比容量保留率仍有93.80%。根据循环测试后的锂金属阳极的SEM谱图测试表明UIO-66/CM和UIO-66（Ce）/CM复合隔膜可调节离子传输,抑制锂枝晶的生长。综上所述,本论文设计的一系列功能化复合隔膜具有优异的电化学性能,且具有良好的润湿性、热稳定性和离子传输可调控性,可成为下一代高性能锂电池的隔膜材料。