几丁质纳米纤维基锂离子电池隔膜的制备及其性能研究

几丁质纳米纤维基锂离子电池隔膜的制备及其性能研究隔膜是锂离子电池的关键部分,能够分隔正负极材料,对于提高锂离子电池的电化学性能和安全性有着重要的作用。微孔聚烯烃隔膜目前被广泛应用于锂离子电池中,这主要得益于他们具有较好的机械强度、高电化学稳定性和适当的孔隙率。然而,这类隔膜依然存在一些问题:1、热稳定性差,由于聚烯烃本身熔点较低,导致其在电池温度升高时,会发生严重的热收缩,不仅限制其工作温度,同时也给锂离子电池带来安全隐患。2、电解液浸润性差,由于聚烯烃隔膜是非极性的,其与极性电解液的浸润性较差,这在一定程度上会导致电解液中离子的不均匀扩散,对锂离子电池的电化学性能有一定影响。3、环保性差,聚烯烃基隔膜的原料主要来自于日益减少的化石燃料,由于其不可再生和生物不可降解,随着锂离子电池市场的扩展,这将导致一系列的环保问题。为了解决上述聚烯烃基隔膜存在的问题,我们将目光转向了生物质纳米纤维基隔膜,因为它们具有较好的电解液浸润性、高热稳定性、高机械强度以及低廉的价格。然而,生物质纳米纤维基隔膜依然存在一些问题:1、离子电导率低,由于生物质纳米纤维表面存在大量的羟基基团,会使其在成膜时,纤维与纤维之间形成大量氢键,形成致密无孔的纳米纤维膜,从而影响锂离子传输。2、吸湿性强,由于纤维素表面的羟基对水具有较强的亲和性,从而导致生物质纳米纤维隔膜容易吸收环境中的水分,从而组装电池前都要经过高温处理,增加了锂离子电池制备的成本。因此,制备具有高锂离子传导且吸湿率低的生物质纳米纤维隔膜成为本研究的重点和难点。本文中,我们以几丁质纳米纤维为例,提出牺牲模板法,表面化学修饰法以及表面涂覆法等,制备了几种几丁质纳米纤维基隔膜,并对其性能进行了评估。主要研究内容总结如下:1.利用从虾壳中提取的几丁质纳米纤维结合“盐模板”的方法制备了一种新型多孔薄膜用于锂离子电池中。通过改变柠檬酸二氢钠(SDCA)在几丁质纳米纤维悬浮液中的含量能够实现多孔薄膜纳米孔结构的可控调节。研究了不同SDCA含量制备的多孔膜的孔隙率、电解液吸附量、电解液浸润性、离子电导率等相关物理参数的变化规律。进一步,组装了LiFePO4/Li半电池对几丁质纳米纤维膜的性能进行评估。结果表明,其性能与商业聚丙烯多孔隔膜相当,甚至在某些方面(如热稳定性)性能更加优异。我们提出的利用可再生几丁质纳米纤维制备电池隔膜的设想,将为锂/钠离子电池的可持续发展提供参考。2.在制备多孔几丁质纳米纤维膜的研究基础上,我们进一步提出了表面功能化修饰的策略,制备出了致密的氰基修饰的几丁质纳米纤维(CCN)膜。这种CCN膜不仅具有高机械强度,而且由于离子和隔膜表面氰基的特殊作用使其具有高的离子电导率。CCN隔膜的离子电导率和锂离子迁移数分别为0.45mS/cm和0.62,大约分别是没有修饰几丁质纳米纤维膜的13倍和2.5倍。考虑到CCN隔膜所具有的性能优势和大规模生产的潜力,我们认为CCN隔膜是很有希望应用于高性能和高安全的锂离子电池中。3.在氰基修饰制备的致密几丁质纳米纤维膜基础上,我们通过简单蘸涂的方法,制备出了氰基修饰几丁质纳米纤维/聚偏氟乙烯-六氟丙烯(CCN/PVDF-HFP)复合膜。这种具有PVDF-HFP聚合物涂层结构的复合膜,一方面使复合隔膜对锂金属稳定,另一方面由于PVDF-HFP具有一定憎水性