纤维素基电池隔膜纸的纸页结构和性能的研究

来源 :齐鲁工业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:tjunu520
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在众多电池中,锂电池因其自身具有的优点,如电压输出高、自放电率低、比能量大,良好的循环性能,并且无记忆效应,对环境无污染,在手机、便携式电脑等各种数码产品及医药行业、电动汽车和航天等领域得到了广泛的应用。锂电池的组成部分―隔膜,将电池的正负极分隔开,阻止电子通过,为离子传输提供通道,是电池安全性、容量的重要决定因素。  目前锂电池中常用的隔膜为聚烯烃类隔膜,在本论文中,以聚烯烃纤维、细菌纤维素、溶解浆为隔膜主要结构基材,采用湿法造纸工艺,并结合热压处理,来制备电池隔膜材料。主要研究工作包括以下几方面:  用PFI磨浆机对溶解浆进行原纤化处理,显微镜下观察纤维素的分丝帚化情况,并测试不同打浆度下纸页作为隔膜的物理特性。结果表明溶解浆在60°SR打浆度下抄造的纸页最适合制备电池隔膜,这个打浆度下的纸页抗张指数、透气度、吸收性分别为0.75N·m/g、31.14μm/(pa·s)、6.8cm/10min。使用机械疏解的方法分散细菌纤维素湿膜,对不同转数下分散的细菌纤维素做显微镜、电镜和纤维质量分析,结果表明采用10000r下机械疏解的细菌纤维素分散效果最佳,最适合与其他纤维配抄造纸成型。  聚烯烃ES纤维的平均长宽度分别为4.373mm,16.21μm,电镜下观察ES纤维形态,可见其表面附着有片状和颗粒状杂质,使用十二烷基苯磺酸钠进行预处理后,纤维表面油脂被清除干净。ES纤维主要问题是分散性差,有机硅油消泡剂添加量为0.05%时, PEO分散剂添加量为0.25%时,纸张的匀度和强度较好。热压温度在140℃、压力为3.12MPa下ES纤维隔膜强度较高,抗张指数、孔隙率、吸液率、透气度、厚度分别为25.1N·m·∕g、49%、189%、4.2μm∕(Pa·s)、45μm,综合性能符合隔膜要求。  将ES纤维和溶解浆、细菌纤维素以不同比例混合抄纸,当溶解浆添加量为15%时,聚烯烃/溶解浆复合隔膜的综合性能优异,此时复合隔膜的抗张指数、孔隙率、吸液率、透气度、厚度分别18.7N·m·∕g、64%、219%、5.1μm∕(Pa·s)、48μm,细菌纤维素添加量为10%时,聚烯烃/细菌纤维素复合隔膜的综合性能良好,此时复合隔膜的抗张指数、孔隙率、吸液率、透气度、厚度分别为25.6N·m∕g、58%、218%、4.4μm∕(Pa·s)、39μm。10C下循环100次之后,聚烯烃/溶解浆(15%)复合隔膜、聚烯烃/细菌纤维素(10%)复合隔膜放电比容量分别高达85mAhg-1、80mAhg-1,在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C倍率下各循环5次之后,放电比容量保持率分别为71%、70%,纤维素基电池隔膜显示出较高的容量保持率。  由三种不同厚度的BC湿膜经热压后制备出的BC电池隔膜物理性能有很大不同,厚度越大,BC膜的定量越高,强度越大,孔隙率、吸液率、透气度越小,5mmBC膜的抗张指数、孔隙率、平均孔径、吸液率、透气度、厚度分别为48.1N·m∕g、44%、16.987nm、141%、1.02μm∕(Pa·s)、19μm。10C下循环100次之后,BC隔膜和某商业隔膜A隔膜电池的放电比容量相差无几,约为40mAhg-1,在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C、10C倍率下各循环5次之后,容量保持率为25%。  与ES纤维隔膜、某商业隔膜A相比,添加细菌纤维素、溶解浆的聚烯烃纤维复合隔膜的热收缩性较好,溶解浆加入量5%、10%、15%、20%、30%、40%的复合隔膜,180℃下的热收缩率分别为46.6%、45.5%、43.2%、38.6%、31.7%、6.4%,细菌纤维素加入量5%、10%、15%、20%的复合隔膜,180℃下的热收缩率分别为50.2%、48.7%、47.3%、38.4%。细菌纤维素湿膜经热压后形成的薄膜,在200℃加热腔中,30min之内薄膜的热收缩性为0.3%,热稳定性优良,高温下具有较高的维持原有尺寸的能力。
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