基于分形原理的靜電紡絲技術(shù)研究和鋰電池隔膜研發(fā).pdf

1、靜電紡絲技術(shù)是一種簡單有效、尺寸可控、原料適應(yīng)性廣的大規(guī)模納米纖維制備方法，在某些領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。目前，規(guī)?；o電紡納米纖維的制備技術(shù)包括（多）針頭式和無針頭式兩類;相對于（多）針頭式靜電紡絲技術(shù)而言，無針頭靜電紡絲技術(shù)具有產(chǎn)量高、速度快的優(yōu)勢，且不存在針頭易堵、難以清洗等問題。然而，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化制備納米纖維的無針頭靜電紡絲技術(shù)需要較高的紡絲電壓，嚴(yán)重地降低了能源利用率，且所紡制纖維粗細(xì)不勻，纖維膜的均勻性較差。
　

2、　分形幾何圖形具有自相似性，Von Koch曲線是分形結(jié)構(gòu)中最簡單的幾何圖形。Von Koch曲線中的三角形尖端數(shù)量隨著分形級數(shù)的增加而增多，因此利用Von Koch曲線的自相似性可提高基于分形結(jié)構(gòu)中Von Koch曲線建立的紡絲電極場強(qiáng)的均勻性;利用Von Koch曲線的多尖端特性可以提高電極的電場強(qiáng)度和生產(chǎn)效率，同時還可達(dá)到節(jié)約能源的目的。因此，本研究基于分形原理，設(shè)計并開發(fā)了分形結(jié)構(gòu)尖端無針頭靜電紡絲電極，并搭建線性紡絲體系實驗平

3、臺，探討分形結(jié)構(gòu)紡絲體系的可行性，并討論了紡絲溶液、電壓、接收距離對納米纖維形貌的影響。
　　場強(qiáng)值較大且分布均勻的電場有利于直徑較小且直徑分布均勻的納米纖維電紡膜的形成，而直徑較小且分布均勻的電紡膜相比直徑較粗且分布不均的電紡膜具有更高的孔隙率，且厚度均勻。鋰離子電池要求隔膜具有較高的孔隙率且厚度均勻，因此將分形結(jié)構(gòu)紡絲體系制備的電紡膜應(yīng)用于鋰離子電池隔膜有助于提高鋰電隔膜的孔隙率、吸液率、電化學(xué)性能和循環(huán)性能。
　　目前

4、市場上的鋰離子電池隔膜主要是聚烯烴隔膜，聚烯烴隔膜雖然具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)力和化學(xué)穩(wěn)定性，但是由于其熔點較低，熱穩(wěn)定性較差，在使用過程中存在安全問題，另外對電解液的潤濕性較低也是聚烯烴隔膜應(yīng)用于鋰離子電池的重要缺陷。因此本研究通過分形結(jié)構(gòu)靜電紡絲體系制備耐高溫的Al2O3@PI電紡膜，提高鋰離子電池隔膜的耐高溫性能，同時將其與PE隔膜進(jìn)行熱軋復(fù)合，賦予鋰離子電池隔膜熱閉孔功能。經(jīng)過熱軋復(fù)合得到的具有低溫?zé)衢]孔功能的Al2O3@PI/PE/A

5、l2O3@PI三層復(fù)合膜雖然具有較高的孔隙率、吸液率、對電解液也有較高的潤濕性以及較好的電化學(xué)性能和循環(huán)性能，但強(qiáng)力不足。為提高Al2O3@PI/PE/Al2O3@PI復(fù)合膜的強(qiáng)力，經(jīng)過改性的商業(yè)PE膜(m-PE)被應(yīng)用與復(fù)合膜中，最終制備的具有低溫?zé)衢]孔功能的SiO2@PI/m-PE/SiO2@PI三層復(fù)合膜在獲得優(yōu)異孔隙率、吸液率、對電解液也有較高的潤濕性以及較好的電化學(xué)性能和循環(huán)性能的同時，還具有較高的機(jī)械性能。
　　本論文

6、研究的具體內(nèi)容如下:
　　首先，采用COMSOL有限元軟件對一、二、三級線性分形結(jié)構(gòu)靜電紡絲體系中的電場強(qiáng)度以及場強(qiáng)分布均勻性進(jìn)行了模擬研究，基于場強(qiáng)大且均勻的原則優(yōu)選出二級線性分形結(jié)構(gòu)靜電紡絲電極。為保證紡絲過程的連續(xù)性、均勻性和大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，將二級分形結(jié)構(gòu)紡絲電極設(shè)計為圓形和橢圓形。對圓形和螺旋形分形結(jié)構(gòu)紡絲電極進(jìn)行建模、電場模擬與分析，同樣基于場強(qiáng)大且均勻的原則優(yōu)選出圓形二級分形結(jié)構(gòu)紡絲電極為最優(yōu)。然后通過調(diào)整圓形二級分

7、形結(jié)構(gòu)紡絲單元之間的間距和高度差，進(jìn)一步減弱甚至消除“End effect”效應(yīng)，通過調(diào)整紡絲單元之間的相對位置，提高紡絲電極在連續(xù)轉(zhuǎn)動過程中電場的穩(wěn)定性，最終確定紡絲單元間距為40mm，高度差為15mm，2＃和4＃紡絲單元順時針旋轉(zhuǎn)36°時的模型能夠維持較為均一的電場強(qiáng)度。
　　其次，以線性二級分形結(jié)構(gòu)紡絲電極為例，驗證分形結(jié)構(gòu)紡絲電極的可行性。通過探討紡絲液濃度、紡絲電壓、接收距離對納米纖維直徑的影響研究分形結(jié)構(gòu)無針頭靜電紡絲

8、電極的紡絲機(jī)理，并最終確定線性二級分形結(jié)構(gòu)紡絲體系制備PVDF納米纖維的最佳工藝條件為:紡絲液濃度10.41％，紡絲電壓23.00 kV，接收距離22 cm，且在此條件下所紡制的納米纖維平均直徑為351 nm，CV值為15％。
　　再次，采用圓形二級分形結(jié)構(gòu)紡絲體系制備Al2O3@PI電紡膜，并與自制PE膜進(jìn)行熱軋復(fù)合得到Al2O3@PI/PE/Al2O3@PI三層復(fù)合膜。使復(fù)合膜在保留電紡膜高孔隙率、高吸液率、對電解液良好潤濕性

9、及良好電化學(xué)等特性的同時賦予鋰離子電池隔膜低溫?zé)衢]孔功能。
　　最后，為進(jìn)一步提高鋰離子電池隔膜的力學(xué)性能，本文采用圓形二級分形結(jié)構(gòu)紡絲體系制備SiO2@PI電紡膜，并對商品PE膜進(jìn)行改性，將SiO2@PI電紡膜和改性后的PE膜進(jìn)行復(fù)合得到SiO2@PI/m-PE/SiO2@PI三層復(fù)合膜。SiO2@PI/m-PE/SiO2@PI三層復(fù)合膜除具有電紡膜作為鋰離子電池隔膜的優(yōu)良特性以及低溫?zé)衢]孔功能外，還達(dá)到了商業(yè)聚烯烴PP/PE/