聚合物/LLZTO胶固复合锂离子电池隔膜的电化学性能研究

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锂离子电池被广泛应用于笔记本电脑、移动手机等便携式电子产品以及电动汽车等大型设备中。为满足电子产品功能的复杂化以及电动车等设备的大功率使用,锂离子电池需要具备优异的电化学性能,良好的热稳定性,极端环境下适应性强和长使用寿命等特性,这对锂离子电池提出了新的挑战。隔膜作为锂离子电池的关键组成部分,开发具有优异的离子电导率,良好的机械性能和电化学性能的隔膜成为全面提升锂离子电池性能的重点,也是当前该领域的研究热点。本文的主要工作是通过在聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)聚合物中添加石榴石型的锆酸镧钽锂(LLZTO)纳米颗粒,优化纳米颗粒最佳掺杂量;改变隔膜的制备工艺,采用涂布法与电泳法两种方试制备高性能锂离子电池隔膜,具体工作如下:通过固相反应合成石榴石型的LLZTO纳米颗粒,然后以不同质量分数加入到聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)中,通过涂布法制得五种不同比例的LLZTO/PVDF-HFP复合隔膜。以纯PVDF-HFP隔膜和商业隔膜Celgard 2325作为对比,通过研究这些隔膜的微观结构,机械性能,离子电导率,接触角及电化学性能等特性,发现在PVDF-HFP中加入质量分数为12.8%的LLZTO纳米颗粒时,复合隔膜表现出了优异的电化学性能和稳定性,在25°C下离子电导率达到3.6×10-4 S cm-1。所制得复合隔膜在磷酸铁锂电池中使用时可使电池在0.5 C倍率下电池初始放电比容量达到156 mAh g-1,充放电循环100圈后容量衰减仅为2.25%。此外加入LLZTO纳米颗粒提升了隔膜的机械性能及与电解液的亲和力,其中隔膜的最大拉伸强度从7.2 MPa提升到了16 MPa,与电解液的接触角从26.12°降低到了9.01°。首次提出采用电泳LLZTO/PVDF-HFP混合胶体溶液的方式制作出新型胶固复合高性能锂离子电池隔膜。将电泳制备的纯PVDF-HFP隔膜作为对照,研究这两种隔膜的微观结构,吸液率,孔隙率,离子电导率,机械性能及电化学性能等性质,发现通过电泳和掺杂适量的LLZTO纳米颗粒的方法改变了PVDF-HFP凝胶隔膜的微观结构,增强了隔膜的机械性能,其中PVDF-HFP隔膜与LLZTO/PVDF-HFP复合隔膜的最大拉伸强度分别可以达到13.8 MPa与28.6 MPa。此外LLZTO/PVDF-HFP胶固复合锂离子电池隔膜也具有优异的离子电导率和电化学性能,其中在25°C,35°C,45°C时离子电导率分别可以达到7.13×10-4 S cm-1,7.46×10-4S cm-1,9.65×10-4 S cm-1。所制得复合隔膜在磷酸铁锂电池中使用时可使电池在0.5C倍率下初始放电比容量达到152 mAh g-1,充放电100圈后容量衰减仅为2.44%。
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