同轴静电纺丝制备阻燃锂离子电池隔膜

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锂离子电池以其优异的性能,在多个应用领域市场获得了广泛应用。与此同时,近几年来锂离子电池安全事故时有发生,因此锂离子电池的安全性也愈加引起重视。高品质电化学性能阻燃性电池隔膜的研究,是提升电池安全性的重要举措。静电纺丝在功能纳米纤维成膜方面优势明显、潜力巨大。用静电纺丝制备电池隔膜,可提高隔膜孔隙率、比表面积,实现材料混合、优化隔膜性能。本文创新性地采用同轴静电纺丝将阻燃剂包裹于隔膜纳米纤维内,既保障了隔膜的电化学性能,受热时阻燃剂能快速释放提升了安全性能,为安全电池隔膜提供了一种新的研究方法。构建数值仿真模型,模拟研究了聚偏氟乙烯(PVDF)与磷酸三苯酯(TPP)混合纤维与TPP@PVDF同轴纤维受热形态变化过程。对比研究了纤维中PVDF与TPP质量比对纤维形态受热变化动态过程的作用规律,分析了受热时纤维微观形貌的时间变化规律、TPP释放的时间、液相比等参数,以及纳米纤维的热稳定性和热关闭性。研究结果表明,PVDF/TP混合纤维难以形成致密薄膜,容易产生表面黏附,隔膜阻燃性能受限;TPP@PVDF同轴纤维可克服上述缺点,经参数优化可知PVDF与TPP质量比(m/m)为2:1和3:1时可以获得好的隔膜阻燃效果。开展了静电纺丝纳米纤维隔膜成型制造、电化学与阻燃性能的测试实验研究。探讨了静电纺丝施加电压、喷头到收集板距离和供液速度对纳米纤维膜形貌的影响规律,完成实验参数优化的研究。研究结果表明,同轴静电纺丝制备的TPP@PVDF同轴纳米纤维隔膜总体性能优于单轴静电纺丝制备的PVDF/TPP混合纳米纤维隔膜;未加阻燃剂TPP的PVDF纳米纤维隔膜垂直燃烧的自熄灭时间为7.20s,而加入阻燃剂的TPP@PVDF同轴纳米纤维隔膜自熄灭时间小于2.13s;经参数优化,同轴纳米纤维中PVDF与TPP质量比(m/m)为2:1时隔膜性能最优。本文所开发的阻燃电池隔膜同轴静电纺丝制造技术,为安全性锂离子电池研究提供了一种新的方法。仿真与实验研究结果表明,TPP@PVDF同轴纳米纤维隔膜具有良好的热稳定性和电化学性,并有效减少了隔膜的自熄灭时间、提高了安全性,论文研究工作具有较好的学术价值和产业推动作用。
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