鋰離子電池用聚丙烯烴隔膜的表面處理及修飾.pdf

1、目前商業(yè)化鋰離子電池中普遍使用的是聚烯烴微孔隔膜，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，而且具有高溫自閉性能，能夠加強(qiáng)電池日常使用的安全性。但其也有缺點(diǎn)，如潤(rùn)濕性低、電解液保液性差、離子電導(dǎo)率低等，這些缺點(diǎn)限制了鋰離子電池性能的進(jìn)一步提高。為了克服這些缺點(diǎn)，文獻(xiàn)中常用等離子處理接枝、紫外光照射接枝及其他射線輻照接枝等手段在隔膜的表面引入親水性基團(tuán)來(lái)提高隔膜的浸潤(rùn)性。然而這些方法的加工設(shè)備價(jià)格相對(duì)較高、程序繁瑣且原料成本也比較高，影響其

2、大規(guī)模的工業(yè)化使用。因此，我們探索出了一種無(wú)輻射的化學(xué)方法對(duì)聚丙烯烴微孔膜表面進(jìn)行預(yù)處理，提高聚烯烴微孔隔膜的潤(rùn)濕性。然后采用層層組裝的方法在隔膜表面修飾數(shù)層離子導(dǎo)電聚合物，以提高隔膜的潤(rùn)濕性、吸液率及保液率;進(jìn)而提高了電池的離子的電導(dǎo)率。接著通過在隔膜表面修飾氧化石墨烯(GO)和離子導(dǎo)電聚合物以提高隔膜的潤(rùn)濕性同時(shí)阻止了鋰負(fù)極枝晶的穿透，增加了以金屬鋰為負(fù)極的電池循環(huán)次數(shù)，從而抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)。具體內(nèi)容如下:
　　(1)鋰離子

3、電池隔膜（聚丙烯烴微孔膜）的前期預(yù)處理:為了使聚丙烯微孔膜表面形成極化化學(xué)基團(tuán)，提高其對(duì)電解液的浸潤(rùn)性，也便于后期在隔膜表面修飾離子導(dǎo)電聚合物或其它功能材料。我們對(duì)隔膜的表面預(yù)處理采用的是簡(jiǎn)單的化學(xué)氧化法，即將聚丙烯烴微孔膜浸泡在強(qiáng)氧化性溶液中。通過使用化學(xué)氧化的方法，提高鋰離子電池隔膜的浸潤(rùn)性，所用的氧化試劑包括硝酸、過氧化氫、過硫酸鉀以及高錳酸鉀等試劑。通過對(duì)多種實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行篩選，我們發(fā)現(xiàn)用98％HNO3、H2O2和K2S2O8法預(yù)

4、處理隔膜是最有效的氧化處理?xiàng)l件。通過對(duì)樣品進(jìn)行接觸角測(cè)試來(lái)分析實(shí)驗(yàn)對(duì)聚烯烴微孔膜潤(rùn)濕度的改變情況，并通過掃描電鏡表征隔膜預(yù)處理之后的形貌，在后續(xù)章節(jié)里也做了紅外、保液率等其它表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)化學(xué)法處理的微孔膜增強(qiáng)了對(duì)電解液的潤(rùn)濕性，有助于鋰離子的通過，也有利于后期對(duì)隔膜的修飾。
　　(2)鋰離子電池隔膜（聚丙烯烴微孔膜）表面修飾離子導(dǎo)電聚合物:為了提高隔膜的潤(rùn)濕性、吸液率及保液率以及提高電池的離子的電導(dǎo)率。我們通過一種簡(jiǎn)單的層

5、層組裝法來(lái)修飾隔膜，我們將離子導(dǎo)電聚合物(PEO和PAA)均勻地修飾到市售的經(jīng)過化學(xué)方法預(yù)處理過的celgard2400多孔聚合物膜的表面。這個(gè)修飾層利用了PEO和PAA之間的氫鍵，PEO是促進(jìn)傳輸?shù)碾x子導(dǎo)電聚合物，PAA起這中介層的作用，同樣也與PEO形成了氫鍵。通過對(duì)樣品進(jìn)行接觸角測(cè)試來(lái)分析實(shí)驗(yàn)對(duì)聚烯烴微孔膜潤(rùn)濕度的改變情況，并通過掃描電鏡表征隔膜預(yù)處理之后的形貌，也做了紅外、保液率等其它表征。通過用正極材料Li1.2Mn0.54C

6、o0.13Ni0.13O2和LiFePO4組裝電池研究電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明修飾PEO和PAA的隔膜對(duì)潤(rùn)濕性、吸液率和保液率有明顯的提高，對(duì)膜的形貌特點(diǎn)也有明顯的改善。并且該修飾層能較好的提高電池的電化學(xué)性能，提高鋰離子的傳導(dǎo)。充放電實(shí)驗(yàn)、循環(huán)容量實(shí)驗(yàn)以及EIS分析結(jié)果說明修飾層不僅能提高隔膜對(duì)電解液的浸潤(rùn)性，而且對(duì)SEI膜的形成有幫助并能降低所形成的SEI膜的電荷轉(zhuǎn)移電阻。為我們下一章的實(shí)驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。
　　(3)鋰離子

7、電池隔膜（聚丙烯烴微孔膜）表面修飾氧化石墨烯(GO):為了抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。我們通過在隔膜表面修飾氧化石墨烯(GO)和離子導(dǎo)電聚合物來(lái)構(gòu)建防護(hù)層，來(lái)達(dá)到抑制鋰枝晶的作用。我們通過前期實(shí)驗(yàn)的探索基礎(chǔ)，將氧化石墨烯(GO)和離子導(dǎo)電聚合物通過層層組裝法修飾到了聚丙烯微孔膜上。通過對(duì)樣品進(jìn)行接觸角測(cè)試來(lái)分析實(shí)驗(yàn)對(duì)聚烯烴微孔膜潤(rùn)濕度的改變情況，掃描電鏡表征隔膜預(yù)處理之后的形貌，并通過用Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2做正極材料