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静电喷涂制备超高分子量聚乙烯锂电池复合隔膜_赵云腾.pdf

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静电喷涂制备超高分子量聚乙烯锂电池复合隔膜_赵云腾.pdf
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第 32 卷第 1 期 高分子材料科学与工程 Vol.32, No.12016 年 1 月 POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Jan. 2016静电喷涂制备超高分子量聚乙烯锂电池复合隔膜赵云腾 , 刘太奇( 北京石油化工学院 环境材料研究中心 , 北京 102617)摘要 : 通过静电喷涂技术成功制备出一种超高分子量聚乙烯 ( UHMWPE) 锂电池复合隔膜 。首先通过研究溶液浓度及电压等因素对聚偏氟乙烯 ( PVDF) 溶液静电喷涂的影响 , 确定最佳喷涂条件为 PVDF 质量分数 3%, 喷涂电压 21 kV。然后通过在超高分子量聚乙烯隔膜上静电喷涂 PVDF 颗粒 , 制备出复合隔膜 。最后 , 对该复合隔膜的孔隙率 、热稳定性 、充放电性能测试 。结果表明 , 该隔膜的孔隙率从 46.5%提高到 73.1%; 纵向热收缩率从 2.6%降低到 1.3%; 首次放电容量比相应的超高分子量聚乙烯隔膜提高了 4.2%, 经过 50 次循环 , 稳定性良好 , 可作为锂离子电池隔膜使用 。关键词 : 静电喷涂 ; 聚偏氟乙烯 ; 超高分子量聚乙烯 ; 隔膜 ; 孔隙率中图分类号 : TQ325.4 文献标识码 : A 文章编号 : 1000-7555( 2016) 01-0147-04收稿日期 : 2015-01-21通讯联系人 : 刘太奇 , 主要从事纳米环境净化材料 、航天材料及新能源材料研究 , E-mail: liutaiqi@ bipt. edu. cn由于锂离子电池具有优异的性能 , 如高能量密度 、高操作电压 、长循环寿命 、低自放电率等 , 故广泛应用在手机 、笔记本电脑等电子产品中[ 1]。作为锂电池的重要组成部分 , 隔膜在正极与负极材料之间起电子绝缘 、提供微孔通道支持离子迁移的作用[ 2]。电池的容量 、循环以及安全性能与隔膜性能的优劣有着直接的关系 , 可以说 , 没有高质量的隔膜就不会有性能优异的电池[ 3]。静电喷涂是一种使带电聚合物溶液在高压静电场中形成射流来制备聚合物颗粒的一种加工方法 。在静电喷涂过程中 , 聚合物参数 、溶液参数 、电压 、接收距离都对颗粒的大小及形貌有影响[ 4 ~6]。胡昌敏[ 7]采用静电喷涂技术制备生物可降解高分子微球 , 作为药物载体 ; 操彬彬[ 8]等采用静电喷涂技术将纳米 TiO2沉积于净化材料表面 , 制备出具有良好抗菌性能的夹心材料 ;Yin[ 9]等通过静电喷涂制备了用于锂离子电池阳极材料的 Si/C 纳米微球 , 该微球具有高的可逆比容量和优异的循环性能 ; Valvo[ 10]采用静电喷涂制备了金属氧化物 /聚偏氟乙烯 ( PVDF) 纳米复合物来改性锂离子电池阴极材料 ; Meltem[ 1]等通过静电纺丝在聚丙烯隔膜上纺 PVDF 纤维 , 同时在 PVDF 纤维上通过静电喷涂负载纳米 SiO2, 得到 SiO2/PVDF 复合隔膜 。该隔膜作为锂电池隔膜 , 其孔隙率和热稳定性有显著提高 。而通过静电喷涂有机物来改性超高分子量聚乙烯( UHMWPE) 隔膜的研究还未见报道 。本文通过静电喷涂技术在 UHMWPE 隔膜表面负载 PVDF 颗粒 , 制得超高分子量聚乙烯复合隔膜 。该复合隔膜用于锂电池 , 测试表明 , 电池的首次放电容量提高了 4.2%, 同时具有良好的循环稳定性 。1 实验部分1.1 原料与试剂聚偏氟乙烯 : 产品编号 44080, 相对分子质量534000, Alfa Aesar ; 丙酮 : 分析纯 , 北京化工厂 ; N, N-二甲基甲酰胺 ( DMF) : 分析纯 , 北京化工厂 ; 超高分子量聚乙烯隔膜 : 型号 SG20B, 相对分子质量 180 万 , 河北金力新能源 。1.2 PVDF 颗粒的制备溶剂体系按丙酮与 DMF 的质量比 3∶ 2配制 , 称取一定量的 PVDF 粉末溶于上述溶剂 , 加热搅拌至充分溶解 , 分别配制 PVDF 质量分数 1%, 3%, 5%, 7%, 9%的溶液 。经超声波 ( 功率为 150W) 处理 30 min 后 , 用10 mL 的注射器取 2 mL 左右的溶液 , 固定在放置架上 , 接收距离为 15 cm。注射器针头采用 4#, 针头端口磨成平口 , 并与高压电源的输出端相连 。当针头有液滴时 , 打开高压电源 , 调节到不同的电压 , 溶液在高压静电的作用下喷涂到接收装置上 , 并通过 RISE-2008型激光粒度仪分析颗粒的平均直径[ 11]。1.3 复合隔膜的制备配制 3% 的 PVDF 喷涂溶液待用 ; 剪取 6 cm × 6cm 的超高分子量聚乙烯隔膜 , 平铺在静电喷涂的接收装置上 , 接收距离为 15 ㎝ ,
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