静电纺取向纤维的制备及在增强锂离子电池隔膜中的应用

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静电纺丝法制备的纳米纤维锂离子电池隔膜具有较高的孔隙率和优良的电化学性能。但是,静电纺纳米纤维之间无有效粘结点导致隔膜力学性能较差。针对上述问题,本文采用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PAN)取向纤维膜,并将其应用于锂离子电池隔膜体系中从而制备了单一组分、三层复合结构的PAN“自增强”隔膜,以及将其与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)复合制备了双组份、三层复合结构的PET/PAN/PET复合隔膜。  静电纺丝过程中采用滚筒作为接收装置制备具有一定取向的PAN纤维膜。利用SEM图像分析法统计纤维直径、纤维取向角度,并测试了纤维膜的力学性能、孔隙率、吸液率。研究表明:滚筒转速的提高有利于减小纤维直径,改善纤维取向程度,纤维膜在收集线速度方向的拉伸断裂强度大幅度提高,却不利于隔膜孔隙率、吸液率的提高;过高的滚筒转速造成纤维取向程度有所降低,使纤维膜在收集线速度方向的拉伸断裂强度有所减小。适当提高滚筒转速,有利于增强静电纺丝过程中射流的机械牵伸作用,提高纤维取向程度,提高纤维膜的拉伸强度。  将PAN取向纤维膜与PAN杂乱纤维膜复合,制备单一组分、三层结构的PAN“自增强”锂离子电池隔膜。测试表明:“自增强”隔膜力学性能得到明显改善,其在收集线速度方向上的拉伸断裂强度达到13.1 MPa,“自增强”隔膜孔隙率、吸液率分别为78.3%、356.3%,20℃时离子电导率为0.631 mS/cm,且离子电导行为符合Arrhenius方程,电化学稳定窗口达到5.1 V;“自增强”隔膜组装的锂离子电池首次放电比容量为138.4 mAh/g,并且36次循环后放电比容量保持率为80.0%。  将PAN取向纤维膜与PET杂乱纤维膜复合,制备双组份、三层结构的PET/PAN/PET复合隔膜。测试表明:复合隔膜在收集线速度方向上的拉伸断裂强度大幅度提高,达到9.2MPa,20℃时离子电导率为0.553 mS/cm,且离子电导行为符合Arrhenius方程,电化学稳定窗口高达5.1 V;复合隔膜组装的锂离子电池首次放电比容量为138.2 mAh/g,并且36次循环后放电比容量保持率为78.9%。
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