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勃姆石/聚丙烯腈复合纳米纤维隔膜:一种富有潜力的高性能锂电池隔膜


来源:中国粉体网   平安

[导读]  制备具有较高电解液吸收率,热稳定性高,电化学性能优异的高性能电池隔膜对锂离子电池的发展具有极其重要的意义。

中国粉体网讯  目前商用的锂离子电池隔膜主要是聚烯烃类微孔膜,如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)隔膜。虽然这类隔膜具有良好的电化学稳定性和机械强度,但是由于其材料本身固有的非极性表面和较低的熔融温度,使得聚烯烃类隔膜存在对电解液润湿性差和热稳定性差等问题,从而影响到电池的电化学性能和安全性能,这也制约了高性能锂离子电池的发展。因此,制备具有较高电解液吸收率,热稳定性高,电化学性能优异的高性能电池隔膜对锂离子电池的发展具有极其重要的意义。



主要隔膜制造商

勃姆石在隔膜中的应用优势

勃姆石被应用在锂离子电池隔膜的制备上,是由于其具有以下独特的优势:1)优异的绝缘性,在电池工作放热时膨胀,有效阻断电流;2)足够的化学和电化学稳定性,不会被电解液腐蚀;3)耐热性优良,可以有效提高锂电池在工作放热时的热稳定性;4)作为涂层材料,可有效降低涂层厚度,降低机械的磨损,而且成本低廉,性价比高。

部分研究简述

Yang等报导了一种由勃姆石作为涂层材料涂覆改性的微孔PE隔膜,和常用的Al2O3涂覆材料相比,γ-AlOOH/PE膜更薄,成本更低。此外,该膜具有优异的热稳定性(即使在180°C下收缩率也小于3%,而未改性PE膜变形严重,收缩率超过85%),出色的润湿性(与电解液接触角为0°),较高的离子电导率(6.56mS/cm)和优秀的过充保护功能。Xu等研究了不同规格勃姆石对勃姆石涂覆改性PP膜的影响。实验表明,当勃姆石的粒径为0.78μm时,勃姆石改性PP膜具有最高的热稳定性、吸液率和离子电导率。

勃姆石/聚丙烯腈复合纳米纤维隔膜

陈仕林以醇铝盐作为前驱体利用溶胶凝胶法制备了稳定勃姆石溶胶,然后将其与聚丙烯腈溶液复合形成均相纺丝液,并利用静电纺丝的方法制备出勃姆石/聚丙烯腈(BM/PAN)复合纳米纤维隔膜。

勃姆石溶胶的制备流程


BM/PAN复合纳米纤维隔膜的制备流程

采用静电纺丝法制备隔膜目前是隔膜研究工作者的热点方向之一。静电纺丝是一种制备超细(亚微米或纳米尺度)连续性高分子纤维的基本方法。典型静电纺丝装置主要由高压电源、注射器、喷射针头和接受装置组成(技术核心是在高压电场中)。由静电纺丝法制备的纳米纤维膜具有独特的三维网络结构,还有比表面积大,孔隙率高,吸液率高等特点,以其作为电池隔膜能够提高离子电导率,改善电池的循环和倍率性能。


静电纺丝装置原理图

通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外测试仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TG)、接触角测试、拉伸测试等方法,研究人员探究了不同的含量勃姆石对勃姆石/聚丙烯腈复合纳米纤维隔膜形貌、结构组成、热稳定性、润湿性、机械性能等的影响。

将上述复合隔膜组装成纽扣电池,通过电化学工作站和高性能电池检测系统测试了它们的离子电导率、电化学稳定性窗口、循环和倍率等电化学性能。实验结果表明,勃姆石/聚丙烯腈(BM/PAN)复合纳米纤维隔膜比PP膜具有更高的孔隙率,更大的吸液率,更出色的热稳定性,而且组装在电池中表现出更优异的电化学性能。

其中,30 wt%BM/PAN复合纳米纤维膜,综合性能最优。将其组装在电池中,电池具有最大的离子电导率(2.85mS/cm),最高的电化学稳定性窗口(5.5 V vs Li+/Li),最小的界面内阻(84Ω),最高的首次放电比容量(162mAh/g)和最大的放电比容量保留率(90.7%,在0.5C下充放电循环100次)。

因此,研究人员认为,勃姆石/聚丙烯腈复合纳米纤维隔膜可作为商用隔膜的潜在代替品应用在锂离子电池中。

参考资料:

陈仕林:勃姆石/聚丙烯腈复合纳米纤维隔膜的制备及其性能研究,华南理工大学

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