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静电纺丝法制备聚酰亚胺/二氧化钛复合纳米纤维膜

牟洪伟  
【摘要】:近年来,随着锂离子电池行业的快速发展,锂离子电池材料受到了越来越多的关注。锂离子电池隔膜在电池中扮演一个非常重要的角色,可隔离电池的正极和负极,防止短路,同时允许锂离子在正负极间快速传输。目前,常用的商业电池隔膜主要是聚烯烃微孔膜,即聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)等,因其具有电化学稳定性好,强度高,成本低等优点,在市场上占有较大份额。然而,随着未来能源存储设备和电动或混合动力汽车的发展,聚烯烃隔膜的一些缺点逐渐显现。在高温、过度充电或是受到猛烈碰撞等情况下,由于其较差的热稳定性,隔离电子及正负极的作用受到限制。因此开发具有高热稳定性、优越电解液润湿性的电池隔膜成为一个重要的研究方向。目前有两种改进方法,一种是对聚烯烃微孔膜的改进,通常将无机纳米粒子与聚烯烃微孔膜复合或制备聚合物无纺布,这种方法虽然可以提高其热稳定性,但会导致隔膜强度的降低;另一种是选取其它材质的电池隔膜及新型制备方法,这种方法比较新颖,是目前研究的热点。静电纺丝法作为制备纳米纤维的主要方法,已得到广泛的应用。通过静电纺丝法制备的聚酰亚胺纳米纤维膜,因其优异的热稳定性,耐高低温及电性能等,逐渐受到越来越多的关注,将其应用于锂离子电池隔膜,其尺寸稳定性、吸液率、循环性能等均高于聚烯烃微孔膜,但是其机械性能相对较低,是目前急需改进的方向。将无机粒子与聚酰亚胺纳米纤维膜复合,能够很好的解决聚酰亚胺机械性能相对较低的缺陷,是改性聚酰亚胺纳米纤维膜的热点。二氧化钛作为刚性无机粒子,能够增加聚酰亚胺纳米纤维膜的机械强度,同时具有优异的电解液浸润性、酸碱性及热稳定性。而且具有材料成本低、对环境影响小的特点。本论文通过静电纺丝法制得聚酰胺酸纳米纤维膜,通过溶胶凝胶法制得二氧化钛溶胶,再通过浸渍和热亚胺化反应制得聚酰亚胺/二氧化钛复合纳米纤维膜,并研究了其作为锂离子电池隔膜的性能。聚酰亚胺纳米纤维膜表面包覆二氧化钛以后提高了复合纳米纤维膜的储能模量、拉伸强度、热稳定性,其玻璃化转变温度最高为407.1℃,储能模量最高为1571.7Mpa,拉伸强度最高为43.94Mpa,失重5%的最高温度为503.42℃;其具有理想的孔隙结构、电解液吸收率和良好的高温尺寸稳定性,水接触角最小为101.70,吸液率最高为152%,孔隙率最高为66%,形变最高温度为401℃;将聚酰亚胺/二氧化钛复合纳米纤维膜用于锂离子电池隔膜具有良好的电化学性能,其离子电导率最高为5.56×10-3S/cm;充放电比容量大,最高为168.0mAhg-1;高倍率下放电容量高,5C电流密度下的容量为140.1mAhg-1;循环寿命好,循环100次后,仍然保持良好的电化学性能,是具有商业前途的锂离子电池隔膜。


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