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论文提交稿范文 本科毕业设计（论文）题目锂电池隔膜制备和电化学性能表征学院化学与材料工程学院年级xx级专业材料科学与工程班级材料081学号150208129学生姓名刘兵指导教师李玉红职称讲师论文提交日期xx年5月22日常熟理工学院毕业设计（论文）常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本人签名日期常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。 保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。 本人签名日期xx.5.25导师签名日期xx.5.30常熟理工学院毕业设计（论文）I锂电池隔膜制备和电化学性能表征摘要本研究采用静电纺丝法，使用PVDF的丙酮/DMF溶液制备了电池隔膜。 讨论了PVDF浓度、静电纺丝电压、喷丝速率、表面活性剂的添加等因素对喷丝效果的影响。 测量了一种样品溶液的黏度和表面张力，并用SEM表征了这种样品的形貌。 将其中一种隔膜的三个不同厚度的样品以及商品Celgard2500隔膜作为锂电池的隔膜，安装了四个电池，并进行充放电测试，比较了所制备隔膜与商品隔膜的效果，结果发现，我们所制备的隔膜适合作为锂电池隔膜使用，效果和厚度有一定关系。 所制备的隔膜还可望用于水系锂电池。 在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态1；放电时则相反。 一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。 是现代高性能电池的代表。 1.1.1锂离子电池的结构及工作原理锂离子电池的形状主要有圆柱形和方形两种，另外还有扣式锂离子电池，无论是何种锂离子电池，锂离子电池的基本结构为正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封圈、盖板等2。 正极目前使用的有LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4等，从电性能及其他综合性能来看普遍采用LiCoO2制作正极，即将LiCoO2与粘接剂(PTFE)混合3，然后碾压在正极集流体上制成正极片。 负极锂片。 电解液较好的是LiPF6，但价格昂贵；其他有LiAsF6，但有很大的毒性；LiClO4，具有强氧化性；有机溶剂有DEC，DMC，DME等4。 隔膜纸采用微孔聚丙烯薄膜或特殊处理的低密度聚乙烯膜。 1.1.2锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理如图1-1所示。 电池充电时，加在两极的电势迫使正极化合物释放出Li+，脱出的Li+通过电解液和隔膜嵌入片层结构的负极碳中，同时外电路的补偿电荷由金属导线供给碳负极，保持电荷平衡。 放电时，在高自由能的驱动下Li+从片层结构的碳中脱出，通过电解液和隔膜再重新嵌入到正极化合物晶格，同时负极释放电子到外电路，产生电流，向外电路供电。 常熟理工学院毕业设计（论文）2图1-1锂离子电池工作原理示意图表1-1锂电池隔膜的主要厂商及其主要产品41.2锂电池隔膜隔离电芯正、负极片，以防止卷芯内部正、负极片直接接触造成短路；从微观角度看，隔膜表面为网状结构，通常有PP、PE之分，也有PE、PP复合在一起的。 区分隔膜通常按厚度、宽度进行划分，铝壳锂离子电池使用的隔膜厚度通常为16m、18m、20m等5，动力电池使用的隔膜厚度以30m以上为主流。 若按形状区分则有卷状、条状之分。 卷状隔膜就是将裁剪好宽度的隔膜卷在一个纸筒上，供客户自行裁剪隔膜单条长度（形状与透明胶相似）。 条状隔膜则由供应商按客户提供的长、宽、厚等参数，直接裁剪好成条状的隔膜。 卷状隔膜的优点在于通用性强，但需增加人力进行裁剪，条状隔膜优点在于无需人力裁剪即可使用，但是通用性不强。 隔膜在电池内部温度过高时还能融化，以防止电池爆炸。 当电池内部温度达到130（锂离子电池国家标准gb18287-2000）以上时，隔膜的网状孔将闭合，阻止锂离子通过升高内阻(至2k?)，以达到阻止电芯内部温度继续升高的作用，从而常熟理工学院毕业设计（论文）3保护电芯产生爆炸的危险6。 排气孔、隔膜一旦激活，电池将永久失效。 根据不同的物理、化学特性，锂离子电池隔膜材料可以分为织造膜，非织造膜（无纺布），微孔膜，复合膜，隔膜纸，碾压膜等几类。 聚烯烃材料具有优异的力学性能、化学稳定性和相对廉价的特点，因此聚乙烯，聚丙烯等聚烯烃微孔膜在锂离子电池研究开发初期便被用作锂离子电池隔膜。 时至今日，商品化的锂离子电池隔膜仍然是聚烯烃微孔膜。 近年来，固体和凝胶电解质开始被用作一个特殊的组件，同时发挥电解液和电池隔膜的作用，是一项新兴的技术手段。 1.2.1锂电池隔膜的参数理解其物理意义理解隔膜的技术指标含义对于判断隔膜产品的性能优劣具有重要意义，我们接下来将隔膜的主要性能参数指标进行简单的介绍，以助于直观地理解隔膜产品的优劣。 （1）厚度需要在容量和安全性之间寻找平衡直观地来看，在同样大小的电池中，隔膜厚度越厚，能卷绕的层数就越少，相应容量也就会降低；但是另一方面，较厚的产品，抵抗穿刺的性能会稍高，安全性会高一些，同时同样孔隙率的情况下，越厚的产品，其透气率会稍差，使得电池的内阻会高一点。 所以在考虑电池隔膜厚度的时候需要在容量指标和安全性之间寻找一个平衡。 隔膜厚度的发展趋势消费类锂电池趋势是追求更薄,动力电池倾向于厚膜。 对于手机、笔记本电脑、电子相框等消耗型锂离子电池，25微米的隔膜逐渐成为标准。 然而，由于人们对便携式产品的使用的日益增长，更薄的隔膜，例如20微米、18微米、16微米、甚至更薄的隔膜开始大范围的应用。 对于动力电池来说，由于装配过程的机械要求，往往需要更厚的隔膜，同时厚一些的隔膜往往同时意味着更好的安全性。 总体来讲隔膜的厚度直接影响电池的安全性、容量和内阻等指标，目前常用的隔膜厚度一般为1640m。 （2）孔径在通透性和阻隔性之间寻找平衡锂电池隔膜上面要求有微孔，便于锂离子通过。 从现有的工艺水平来看，湿法隔膜的孔径在0.010.1m，干法隔膜的孔径在0.10.3m，孔径的大小决定隔膜的透气率，但是过大的孔径有可能导致隔膜穿孔形成电池微短路7。 总体来看，隔膜的孔径直接影响电池的内阻和短路率。 （3）透气率影响锂电池的内阻常熟理工学院毕业设计（论文）4从定义来看，透气率又叫Gurley数，反映隔膜的透过能力。 即一定体积的气体，在一定压力条件下通过1平方英寸面积的隔膜所需要的时间。 常用的气体体积量一般为50ml或者100ml。 透气率从一定意义上来讲，和用此隔膜装配的电池的内阻成正比，即该数值越大，则内阻越大。 需要指出的是，对于不同类型和厚度的隔膜，该数字的直接比较没有任何意义。 因为锂离子电池中的内阻和离子传导有关，而透气率和气体传导有关，两种机理是不一样的。 目前市场上产品的典型指标在200800s/100ml左右。 （4）吸液率衡量隔膜对电解液的浸润程度，影响锂电池的内阻和容量直观来看，为保证电池的内阻不是太大，要求隔膜是能够被电池所用电解液完全浸润，但是目前这方面没有一个公认的检测标准。 当前市场上通用的衡量标准是取一定面积的隔膜完全浸泡在电解液中，看隔膜吸收电解液的重量（常用单位是g/m2），同样厚度的隔膜，吸收的重量越大，浸润效果越好8。 浸润度一方面与隔膜材料本身有关，还与隔膜的表面及内部微观结构密切相关，另一方面与电解液的配方也有很大关系。 （5）穿刺强度反映隔膜抗外力穿刺的能力，影响电池的短路率和安全性电池生产和使用中都有可能产生外力穿刺。 电池生产方面，受限于电极表面涂覆不够平整、电极边缘有毛刺等情况，以及装配过程中工艺水平有限等因素，有可能对隔膜产生穿刺作用；另一方面,电池使用过程中，电池内部会逐渐形成枝状晶体，也有可能刺破隔膜，造成内部微短路。 在微结构一定的情况下，相对来说穿刺强度高的，其装配不良率低。 但是单纯追求高穿刺强度，也必然导致隔膜的其他性能下降。 一般对产品都会做穿刺实验验证隔膜的可靠性，对于湿法工艺一般要求穿刺强度大于300g/20m9。 （6）热收缩率反映隔膜高温环境下的尺寸稳定性一方面，隔膜需要在电池使用的温度范围内（-2060）保持尺寸稳定；另一方面，在电池生产过程中由于电解液对水份非常敏感，大多数厂家会在注液前进行85左右的烘烤，要求在这个温度下隔膜的尺寸也应该稳定，否则会造成电池在烘烤时，隔膜收缩过大，极片外露造成短路。 以湿法隔膜为例，一般要求90条件下加热2小时条件下，纵向5.0%，横向3.0%10。 （7）闭孔温度、破膜温度反映隔膜耐热性能和热安全性能的最重要参数闭孔温度是指达到这一温度后，隔膜能够在热作用下关闭孔隙，从而在电池内部形成断路，防止电池内部温度由于内部电流过大进一步上升，造成安全隐患。 这一特常熟理工学院毕业设计（论文）5性可以为锂离子电池提供一个额外的安全保护。 需要指出的是闭孔温度与材料本身的熔点密切相关，如PE为128135，PP在15016011。 同时，不同的微结构对热关闭温度有一定的影响。 破膜温度是造成电池破坏的极限温度，在此温度下，隔膜完全融化收缩，电极内部短路产生高温直至电池解体或爆炸。 破膜温度闭孔温度反映了隔膜的温度安全区间，以单层PE膜为例，闭孔温度在128135，破膜温度一般大于145，温度保护区间为145-135=10。 （8）孔隙率反映隔膜内部的微孔数量，影响电池内阻孔隙率是材料中孔隙体积占总体积的比例，反映隔膜内部微孔体积占比多少。 孔隙率的大小影响电池的内阻，但不同种隔膜之间的空隙率的绝对值无法直接比较。 孔隙率较大便于锂离子通过，但是孔隙率过大则影响机械强度和闭孔性能。 目前商用隔膜孔隙率一般在40%60%之间。 1.2.2锂电池隔膜的生产工艺对比目前市场上主流的锂电池隔膜生产工艺包括两种技术流派，即干法（熔融拉升工艺）和湿法（热致相分离工艺），其中干法工艺又可细分为干法单向拉伸工艺和干法双向拉伸工艺。 两种方法都包括至少一个取向步骤使薄膜产生空隙并提高拉升强度。 干法制备工艺原理干法的制备原理是先将高聚物原料熔融，之后高聚物熔体挤出时在拉伸应力下结晶，形成垂直于挤出方向而又平行排列的片晶结构，并经过热处理得到硬弹性材料12。 具有硬弹性的聚合物膜经过拉伸环节之后发生片晶之间的分离而形成狭缝状微孔，再经过热定型制得微孔膜。 该工艺对过程精密控制要求高，尤其是拉伸温度高于聚合物的玻璃化温度而低于聚合物的结晶温度。 目前主要包括干法单向拉伸和双向拉伸工艺。 干法工艺的主要难点在于过程控制精度要求严格，孔隙率控制较难把握。 图1-2锂电池隔膜干法制备示意图常熟理工学院毕业设计（论文）6干法单向拉伸工艺源自美国Celgard公司从技术源头来看，干法单向拉伸工艺源自美国Celgard公司，该方法主要是在在熔融挤出成膜后经退火结晶处理形成半结晶PP/PE/PP，单向拉伸出微裂纹（银纹），孔隙率在30-40%。 该工艺经过几十年的发展在美国、日本已经非常成熟，美国Celgard公司拥有干法单向拉伸工艺的一系列专利，日本UBE公司则通过购买Celgard的相关专利使用权进行生产13。 采用干法单向拉伸方法生产的隔膜具有扁长的微孔结构。 从性能上看，没有横向拉伸步骤有利有弊由于只进行单向拉伸，隔膜的横向强度比较差，但正是由于没有进行横向拉伸，横向几乎没有热收缩。 干法双向拉伸工艺源自中科院化学所，美国Celgard集大成干法双向拉伸技术源自中科院化学所，该所是我国最早从事锂电池隔膜研究的单位，后又得到国家863计划的支持。 该技术通过在聚丙烯中加入具有成核作用的晶型改进剂，利用聚丙烯不同相态间密度的差异，在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔，用于生产单层PP膜。 尽管中科院化学所拥有专利技术，但是其集大成者却是美国的Celgard公司。 xx年，化学所将其在美国、英国和日本申请的干法双向拉伸专利权转让给美国Celgard公司。 国内的新乡格瑞恩公司以及新时科技的技术就于中科院化学所，采用的是干法“双向拉伸”技术生产单层PP膜，其中新乡格瑞恩已经成功实现产业化。 湿法工艺目前在日韩厂商中占据主流和干法相比，湿法需要有机溶剂，其基本过程是指在高温下将聚合物溶于高沸点、低挥发性的溶剂中形成均相液，然后降温冷却，导致溶液产生液固相分离或液液相分离，再选用挥发性试剂将高沸点溶剂萃取出来，经过干燥获得一定结构形状的高分子微孔膜。 在隔膜用微孔膜制造过程中，可以在溶剂萃取前进行单向或双向拉伸，萃取后进行定型处理并收卷成膜，也可以在萃取后进行拉伸。 用这种方法生产的超高分子量聚乙烯微孔膜具有良好的机械性能。 和干法相比，湿法的制膜过程相对容易调控，可以较好地控制孔径、孔径分布和孔隙率。 但制备过程中需要大量的溶剂，容易造成环境污染，而且与干法熔融拉伸法相比工艺相对复杂。 目前日韩厂商采用湿法工艺的公司较多，主要有日本旭化成、东燃化学、三菱化学、韩国SK化学和美国Entek等14。 常熟理工学院毕业设计（论文）7图1-3锂电池隔膜湿法制备工艺图表1-2锂电池隔膜干法和湿法比较表15干法单向拉伸干法双向拉伸湿法工艺工艺原理晶片分离晶型转换相分离生产方式单向拉伸双向拉伸溶剂萃取，双向拉伸孔径大小大大小孔径均匀性差较差较好拉伸强度均匀性差，各向异性较好，各向同性较好，各向同性横向拉伸强度低较高较高横向收缩率低较高较高穿刺强度低较高较高产品线可以生产PP膜、PE膜和多层复合膜目前只能生产单层PP膜适合生产较薄的产品；现在只能生产PE膜代表厂商美国Celgard、日本UBE,沧州明珠(干法单拉PP膜)、佛山东航光电(两层复合膜)美国Celgard、新乡格瑞恩、大连新时科技、常州迅腾电子日本旭化成、东燃化学、美国Entek、佛塑科技(子公司金辉高科)、九九久(生产线在建)、云天化(子公司纽米科技实施)、天津东皋膜技术有限公司、上海恩捷新材料常熟理工学院毕业设计（论文）8图1-4锂电池隔膜的工艺以及技术从目前隔膜下游锂电池生产企业的采购格局来看，主要订单集中在美国Celgard、日本UBE、日本旭化成、东燃化学等公司手中，四家家企业是目前国际上隔膜生产企业的第一梯队16。 美国Celgard代表了干法工艺的最高技术，日本UBE通过购买专利，依靠性价比优势切入市场，日本旭化成和东燃化学则是湿法工艺的领先企业。 1.3锂离子电池的发展历史1.3.1世界锂离子电池的发展历史1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料17，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。 1982年伊利诺伊理工大学(the IllinoisInstitute ofTechnology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性18，此过程是快速的，并且可逆。 与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。 首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。 1983年M.Thackeray，J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料19，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。 其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。 1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。 随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。 此类以钴酸锂作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。 常熟理工学院毕业设计（论文）91996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性，尤其耐高温，耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。 因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。 1999年，聚合物锂离子电池实现商品化20。 聚合物锂离子电池是一种全新结构的锂离子电池。 聚合物锂离子电池的出现是锂离子电池发展历史上的一个重大突破。 聚合物锂离子电池在电池结构和电池制造工艺上都与液态锂离子电池有着根本的区别首先，这种电池的电解质是以固态或胶体的形式存在的，没有自由液体，因而加工性和可靠性大大提高，不需要金属外壳，可以制成全塑包装，减轻重量。 其次，电解质可以同塑料电极叠合，使高能量与长寿命结合起来，并且形状和大小可调，使用范围和销路将大大拓宽，适用的范围大大增加。 再者，由于电解液被聚合物中的网络所捕捉，均匀地分散在分子结构中，因而电池的安全性也大大地提高。 1.3.2我国电池的发展史自五十年代以来，我国二次电池工业，从无到有，从弱到强，已形成了比较完备的工业体系，其发展历程大致可分为三个时期，首先是五十年代兴起的铅酸蓄电池。 第二个时期是指六十年代开发成功镉镍碱性蓄电池时期，该系列电池由于高功率、高寿命以及良好的低温性能，广泛地应用于航海、通讯、电力、铁路、通讯、电动工具、办工自动化等诸多部门。 第三个时期指进入九十年代至今，九十年代初期，中国已有了研制锂电池的初级产品，主要是用于电子计算器上的二氧化锰扣式电池，以及少量的锂、碘和卷边封口的锂、二氧化硫电池，随后又研制出小型碳包式的锂、亚硫氯电池。 此外90年代初，中国才开始由自己规模化生产的，可供军方使用的安全可靠的锂电池。 到了90年代末期，我国对锂离子电池的研究有了突破性的进展，比亚迪、邦凯和比克等公司都在大规模生产液态锂离子电池，产品的技术水平已达到或超过日本同类电池的水平。 而厦门宝龙公司1999年12月自行设计开发了日产1万只聚合物锂离子电池的生产线21，这也是世界上形成规模的第三条聚合物锂离子电池生产线。 1.4锂离子电池隔膜市场规模及预测我国是世界第二大锂离子电池生产和出口国，锂电产品已经占到全球40%21的市场份额。 xx年我国锂离子电池产量20亿只，销售收180亿元；出口量为11.95亿只锂离子电池隔膜生产现状国内现可工业化生产单层、用于小型电子产品如手机上的隔膜,预计抵档产品产能将供过于求21。 xx年扬子石化公司自主研发的锂电池隔膜用聚丙烯专用料PPH-F02-H成功实现了工业化生产22。 不仅填补了国内空白，而且打破了进口产品垄断技常熟理工学院毕业设计（论文）10术和市场的格局，产品附加值高，具有极佳的市场前景。 1.5本研究的目的和意义隔膜材料作为电池的重要组成部分,对电池的安全性和成本有重要影响。 它作为电池的正负极之间的隔离板,首先必须具备良好的电绝缘性,其次由于它在电解液中处于浸湿状态,必须具备良好的耐碱性、气性等。 近年来，纳米纤维膜的制备技术受到广泛关注，而静电纺丝是最为重要的方法。 本论文，在查阅相关文献的基础上，开展了以下的研究工作根据一项国际调研，锂电池隔膜占锂电池成本的25%30%23，而目前主要被美国和日本的几个公司垄断。 事实上，市场上所能提供的商品隔膜其导电性能并不好，限制了锂电池正负极材料性能的发挥。 本研究目的在于制备一种可替代目前市场上常用的隔膜的新样品,利用静电纺法制备锂电池隔膜。 通过电池充放电测试、SEM等方法测定所制备隔膜的电化学性能和形貌，以比较所制备样品与商品隔膜的性能差异。 常熟理工学院毕业设计（论文）112.实验部分2.1实验原料表2-1实验所用原料试剂名称试剂级别供应商丙酮AR国药集团化学试剂有限公司N-N二甲基乙酰CP国药集团化学试剂有限聚偏氟乙烯CP国药集团化学试剂有限表面活性剂CP江苏强盛化工有限公司乙醇CP国药集团化学试剂有限2.2实验仪器表2-2实验所用仪器仪器名称型号生产厂家电热真空干燥箱ZK82B上海实验仪器厂有限公司高速离心机LG10-2.4A北京雷勃尔离心机有限公司真空干燥箱DZF-6090海一恒科技有限公司电子天平AL204梅特勒托利多仪器（上海）有限公扫描电镜X650HITACHI公司手套箱Super(1220/750米开罗那（中国）有限公司X-射线粉末衍射仪D-MAX2200P日本理学公司蓝电电池测试仪CPxxA天津静电纺丝仪781101ORMOND BEACHFL注射器医用注射器苏州针头5#苏州2.3隔膜制备2.3.1静电纺PVDF纺丝溶液的配制首先，将DMF和丙酮分别按质量比为8:2的比例来配制溶剂。 其次，取上述PVDF样品，按质量百分比为8%、10%、12%以及15%称取后分别溶于上述两种混合溶剂中。 再次，将配好的纺丝液在60恒温情况下搅拌12h至完全溶解。 常熟理工学院毕业设计（论文）122.3.2静电纺PVDF膜的制备将配制好的PVDF纺丝溶液注入配有5#不锈钢针头的10ml注射器中，将注射器放入注射器泵上，将针头接高压电源的正极，收集器接高压电源的负极，采用下列纺丝参数:纺丝溶液的浓度(5%、8%、10%、12%和15%)，纺丝电压15kV纺丝速率0.5L/min)，距离15cm来，射流在喷射过程中溶剂被蒸发而固化在接收装置上,得到外观白色，致密柔软的PVDF电纺膜60真空干燥12h，待用。 图2-1静电纺丝装置示意图2.3.3锂电池薄膜切取及厚度测量将8%PVDF静电纺丝成功的薄膜放在洁净的玻璃片上，用剪刀和镊子切取不同厚度的薄膜。 本次实验分别切取了厚度相差较大的三块。 经过螺旋测微器测量，分别为0.07mm、0.14mm、0.20mm厚度的薄膜。 2.4材料制备2.4.1锂电池隔膜的负极材料选用直径为14mm，厚度的0.5mm金属锂片（天津中能）为负极。 与正极的活性物质相比，锂负极的用量是过量的。 每只电池使用1片。 2.4.2电解液选用1mol LiPF6/EC（碳酸乙烯酯）+DEC（碳酸二乙酯）(体积比11)为电解液。 2.4.3扣式电池组装在相对湿度为2%的氩气手套箱内装配电池。 静置6h后测试。 2.5静电纺丝溶液粘度和表面张力测试常熟理工学院毕业设计（论文）132.5.1粘度的测试1.将恒温槽温度调节到25。 2.用吸量管吸取水10mL注入已洗净并烘干的奥氏粘度计左侧管底部。 在粘度计右侧管上套上橡皮管，用自由夹夹住左侧管，把粘度计浸入恒温槽中，恒温20分钟。 3.自橡皮管一端缓缓地吸取水到h1刻度以上，注意吸液时应避免有气泡产生，然后任其自行流下，用停表测定液面流经h1，h2刻度所需时间，直至三次误差范围在0.2秒以内，记录数据。 取出粘度计，再用丙酮淋洗后用电吹风吹干。 4.同样方法再测定静电纺丝溶液流经h1，h2刻度所需时间，直至三次误差范围在0.2秒以内，记录数据。 粘度计经丙酮淋洗后吹干。 5.保持恒温槽温度至25，用同法测定静电纺丝溶液流经毛细管所需时间，记录三次误差范围在0.2秒以内的数据。 6.同法再测定静电纺丝溶液流经毛细管所需的时间,直至三次误差范围在0.2秒以内，记录数据。 粘度计经丙酮淋洗后吹干。 7.计算静电纺丝溶液的粘度。 本实验以25时的水为标准，已知25下水的粘度为0.890410-3Pas。 根据公式111222d tdt?，求得所测液体的粘度。 d液体密度，水的密度为0.99707gcm-3，根据测试得到纺丝溶液的密度为0.918gcm-3。 2.5.2表面张力的测试1实验前将毛细管和试管用洗液洗净，按图装好全套装置。 2在大试管中盛入水，放入毛细管，使毛细管管口刚好与液面相接触，放入恒温水浴中恒温10分钟，缓慢打开放水活塞，使气泡从毛细管端尽可能慢慢地放出（每分钟约4-6个气泡），待气泡均匀稳定气泡地放出时，读取斜管压力计上的最大压差hm值读图2-2奥氏粘度计图2-3表面张力测试示意图常熟理工学院毕业设计（论文）14取三次，取平均值，计算毛细管常数K。 3测定水和静电纺丝溶液的hm值。 4.计算纺丝液的表面张力。 2.6电化学性能测试组装的电池在武汉蓝电电池测试仪以1C倍率进行充放电测试，充放电范围为2.04.4V。 数据的采集和处理由兰电数据处理软件完成。 软件中采集数据可按时间取样和按照电压变化取样，本实验中因采用恒流充放电，有放电平台，为考察充放电容量与电压的关系，故采样按时间点采样数据，时间间隔为5min。 2.7样品的SEM表征将样品取出后放入JFD-310中进行临界点干燥干燥后用双面胶贴在样品台上用JFC-1600离子溅射镀金膜10nm利用JSM-6360LV扫描电子显微镜进行观察并拍照。 常熟理工学院毕业设计（论文）153.结果与讨论3.1静电纺丝PVDF膜3.1.1不同浓度的PVDF喷丝的难易表3-1未添加表面活性剂喷丝情况浓度15%12%10%8%5%喷丝情况未喷出未喷出，反复实验后有少量喷出微量喷出，经常堵塞针头大量喷出，经常堵塞针头大量喷出，未堵塞针头表3-2添加表面活性剂喷丝情况浓度15%12%10%8%5%喷丝情况未喷出，反复实验后有少量喷出微量喷出，经常堵塞针头大量喷出，偶尔堵塞针头大量喷出，未堵塞针头大量喷出，未堵塞针头当溶剂中DMF和丙酮体积比为8:2，纺丝电压为15kV，以及纺丝固化距离为15cm时，未添加表面活性剂时，纺丝的难度比较大，在大量实验的基础上，本次实验添加了表面活性剂。 如果纺丝浓度过低，可能降低纺丝薄膜的电化学性能，因此静电纺丝制备隔膜选择了8%PVDF溶液。 3.1.2纺丝电压在不同电压下进行静电纺丝，纺得的纤维的形貌和直径也会发生相应的变化。 当溶剂DMF和丙酮体积比为8:2，纺丝溶液浓度为8%，纺丝速率为0.5L/min，以及纺丝固化距离为25cm时，改变纺丝电压（15kV、18kV、20kV和22kV），随着电压的增加，纤维间的粘连和团聚现象越来越严重。 本研究也尝试用低于15kV的电压，因为聚丙烯微孔膜包覆的收集器的导电性不高，与注射器针头之间无法形成高电压电场，电场力克服不了纺丝溶液的表面张力，喷射出很多液滴，无法形成纤维，很难实现大量的纤维沉积。 当电压过高时，喷丝头发出嘶嘶的声音，纺丝溶液离开喷丝头的速度较快，无法形成连续稳定的射流，纺丝过程不稳定，导致溶剂来不及挥发，不利纺丝。 因此，本研究从安全方面考虑，选取15kV为静电纺PVDF膜的纺丝电压。 常熟理工学院毕业设计（论文）163.1.3纺丝速率为保证静电纺丝过程的连续性，需要施加一个能够保持与初始流速相平衡的推力，即需给静电纺丝溶液一个初始的流速。 当溶剂和丙酮体积比为8:2,纺丝溶液浓度为8%，纺丝电压为15kV以及固化距离为15cm时，改变纺丝速率(0.3L/min，0.5L/min,)，。 当纺丝速率为0.3m1/L时，铝箔上几乎看不到纤维，都是溅射的液滴;当纺丝速率为0.5L/min时，可以观察到纤维的沉积。 因此本实验采用的是0.5L/min的喷丝速率。 3.1.4纺丝液粘度和表面张力的测定表3-3粘度数据处理（25）水静电纺丝液6.19593.286.18592.50t/s6.19592.38平均时间/s6.18592.72粘度/Pas0.890410-37.857610-2表3-4表面张力数据处理hm（毫米液柱）水，3次平均水的表面张力（Nm-1）24hm（毫米液柱）纺丝溶液，3次平均表面张力（Nm-1）970.0721329.50.02194常熟理工学院毕业设计（论文）173.2电化学性能测试3.2.1商用Celgard2500隔膜电池测试050100150xx.02.53.03.54.04.5比容量m Ah/g电压V（A）2468101280859095100循环序号效率/%（B）（C）图3-1商品隔膜Celgard2500装电池的循环情况。 （A）电压-比容量图；（B）循环效率图；（C）比容量和循环圈数的关系。 常熟理工学院毕业设计（论文）18（C）3.2.2静电纺丝0.07mm厚度隔膜锂电池测试（A）246810128486889092949698100效率/%循环序号（B）图3-2以静电纺丝0.07mm厚度锂电池隔膜装电池的循环情况。 （A）电压-比容量图；（B）循环效率图；（C）比容量和循环圈数的关系。 图中（1，2，3，4，5，6，7）分别代表充放电序号。 从图中可看出，除第一次充电曲线可逆性不太好以外，之后的充放电曲线表现出较好的可逆性。 同时，放电时比容量与采用商品膜Celgard2500基本一致，而且此薄膜的效率在逐步上升，最终在98%左右，说明我们制备的该厚度的隔膜可以作为锂电池隔膜使用。 但由于厚度低，隔膜太软，使得装电池的过程变得复杂，容易导致装电池失败。 (A050容100量150xx.52.02.53.03.54.04.5 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)电压/V比/m Ah/g常熟理工学院毕业设计（论文）193.2.3静电纺丝0.14mm厚度隔膜锂电池测试050100150xx.02.53.03.54.04.5050100150xx.02.53.03.54.04.5比容量/m Ah/g电压/V (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)（A）0246环81012141680859095100效率%循序号（B）图3-3以静电纺丝0.14mm厚度的锂电池薄膜装电池的循环情况。 （A）电压-比容量图；（B）循环效率图；（C）比容量和循环圈数的关系。 图中（1，2，3，4，5，6，7，8）分别代表充放电序号。 从图中可看出，此薄膜薄膜的充电性能良好，但是放电性能与商品电池有偏差，但是随着实验的进行，其放电比容量先下降又逐渐上升接近于150mAh/g（见图3-3C），同时该电池薄膜的循环效率随着实验的进行也基本