隔膜在鋰離子電池(LIB)中,對電池的安全性起著重要作用。目前,商業(yè)化的隔膜以聚烯烴為主。然而,聚烯烴隔膜由于其低的表面能而具有疏水表面,不能吸收較多的電解液使電池性能受到制約。此次開發(fā)了一種成本低、綠色環(huán)保的隔膜改性方法,通過引入聚乙烯醇(PVA)來改善聚乙烯(PE)隔膜表面疏水的特性,并研究了其結(jié)構(gòu)與性能。
一.
樣品制備方法
改性PE隔膜的制備:首先將PE隔膜放入無水乙醇中浸潤,隨后放入1%(w)的PVA去離子水溶液中浸泡,30 min后取出,用濾紙擦去隔膜上的殘留溶液。再將隔膜放入用稀鹽酸與去離子水調(diào)制的pH=2,戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的混合溶液中進行交聯(lián),升至60 ℃反應(yīng)30 min,反應(yīng)完成后將隔膜于60 ℃烘干,后將隔膜放入去離子水中浸泡后再烘干,得到改性PE隔膜。
二.
表征儀器
KRÜSS DSA30S液滴形狀分析儀,表征隔膜改性前后接觸角和潤濕性的變化。
三.
結(jié)果和討論
1、隔膜的表面形貌與孔隙率
從圖1可以看出:改性前后PE隔膜的微孔結(jié)構(gòu)分布均勻,有著大致相似的孔徑分布;改性前后PE隔膜的孔隙率沒有顯著降低,說明PE隔膜經(jīng)過PVA交聯(lián)改性后微孔結(jié)構(gòu)沒有顯著改變,不影響隔膜在工作環(huán)境下的離子傳輸速率。
圖1. 改性前后PE隔膜的SEM照片
2、親水性
為探究隔膜表面的親水性,進行了瞬時水接觸角測試,改性PE隔膜的水接觸角明顯降低。PE隔膜的水接觸角為98.6°±2.7°,而改性PE隔膜的水接觸角為66.5°±1.8°,說明改性PE隔膜的表面更親水,這是由于PVA的羥基被引入到了隔膜表面,降低了隔膜的表面能,且親水性的提高使隔膜對電解液的親和能力提高,從而提高了隔膜的離子電導(dǎo)率,使裝有隔膜的電池表現(xiàn)出良好的電池性能。
圖2. 改性前后PE隔膜的接觸角
3、電池性能
對裝有兩種隔膜的電池使用恒流模式,在充放電倍率為1.0 C時進行充放電,從圖可以看出:經(jīng)過200次循環(huán)后,PE隔膜和改性PE隔膜分別保持了其原有放電容量的88.2%,89.9%,說明改性 PE隔膜的循環(huán)壽命提高。
圖3. 改性前后PE隔膜的循環(huán)壽命
在較低的放電倍率(如0.5 C)下,兩組隔膜有著相近的放電容量,隨著放電倍率的增加,兩組隔膜的放電容量都有所下降,但改性PE隔膜的降幅較低,在放電倍率為10.0 C時,改性前后隔膜的放電容量僅為0.5 C放電倍率下放電容量的33.2%和39.7%。當(dāng)放電倍率回到0.5 C時,兩組隔膜的放電容量又回到了之前的水平。循環(huán)壽命與倍率容量的數(shù)據(jù)再次證實了PVA及其交聯(lián)產(chǎn)物的引入確實可以改善電池性能。
圖4. 改性前后PE隔膜的倍率容量
結(jié)論
通過改性PE隔膜,提高了隔膜的親水性,改善了電池的循環(huán)壽命和倍率性能。
參考文獻(xiàn)
程序,汪志偉,張素梅,蘭芳,陳金耀,曹亞.聚乙烯醇交聯(lián)改性聚乙烯鋰離子電池隔膜的制備[J].合成樹脂及塑料,2021,38(1):22-26.