静电纺丝制备动力锂离子电池隔膜的关键技术与设备

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锂离子电池因具备工作电压高,能量密度大,自放电率低,使用寿命长,无记忆效应,环保污染小等多种特点成为了众多电子产品的主流电源。目前,新能源汽车的快速发展对锂离子电池的性能提出更多更高的要求,如快速充放电性能,隔膜稳定性,安全性等。传统的隔膜生产工艺生产的隔膜质量和产量远远满足不了锂离子电池发展的需求。这是动力离子电池实现快速发展瓶颈之一。所以有必要研发更优异的隔膜生产设备和工艺方法提高动力锂离子电池隔膜的质量和数量来满足能源发展对锂离子电池隔膜的需求。本文采用静电纺丝的方法制备锂离子电池隔膜,为了提高电池隔膜的产量自主研发出了多种不同无喷头静电纺丝设备。用不同的电纺设备制得了多种不同的聚合物纳米纤维膜并进行了SEM表征,其中对可做为锂离子电池隔膜的PVDF-PMMA复合纳米纤维膜做了表征和电化学性能测试。通过测试的数据对所研发设备的性能做出评价和分析。具体研究如下所述。依据静电纺丝技术的基本原理,分析电纺过程中泰勒锥的形成过程和条件,研发设计了金属平面、金属滚轴(筒)、金属丝等多套喷射装置,旋转滚轴、传送带、圆弧式等多种收集装置以及多种不同形式的供液装置,部分装置组成的静电纺丝设备与单喷头相比,产量提高三个数量级。采用不同的纺丝设备制备了PVA、PEO等聚合物纤维膜和PVA-PEO、PVA-PVP、PVDF-PMMA等复合纤维膜,并对这些纤维膜进行了表征分析。实验表明,滚轴(筒)喷射装置纺丝的电压阈值较高在60~70kV,其射流喷射速度快,纤维容易出现粘连且均匀性较差;旋转滚轴、传送带、圆弧形等传送收集装置,相对提高了接收距离,延长了溶剂的挥发时间,一定程度上解决了纤维粘连、纤维站立及连续收集等问题;金属丝式的喷射装置纺丝阈值电压适中在15~35kV,电纺不同浓度、不同聚合物所需的阈值电压有所不同,射流喷射速度适中,得到纤维大部分粗细均匀形貌良好。对由金属丝和单喷头纺丝设备制得的PVDF-PMMA复合纳米纤维膜和PP/PE/PP隔膜进行了物理表征测试,并用其组装电池进行电化学性能测试。实验表明:金属丝设备制得的PVDF-PMMA纤维膜的均匀性、孔隙率、吸液率、离子电导率、充放电及循环性能,与单喷头设备制得的相比较低,但与PP/PE/PP隔膜相比综合性能较高。
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