一種綠色、低成本改性鋰離子電池隔膜的方法

隔膜在鋰離子電池（LIB）中，對(duì)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(kāi)發(fā)了一種成本低、綠色環(huán)保的隔膜改性方法，通過(guò)引入聚乙烯醇（PVA）來(lái)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(wú)水乙醇中浸潤(rùn)，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(jìn)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(rùn)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(méi)有顯著降低，說(shuō)明PE隔膜經(jīng)過(guò)PVA交聯(lián)改性后微孔結(jié)構(gòu)沒(méi)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(jìn)行了瞬時(shí)水接觸角測(cè)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(shuō)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(duì)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(duì)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(shí)進(jìn)行充放電，從圖可以看出：經(jīng)過(guò)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(shuō)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(shí)，改性前后隔膜的放電容量?jī)H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(shí)，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(shí)了PVA及其交聯(lián)產(chǎn)物的引入確實(shí)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(guò)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(shù)脂及塑料,2021,38（1）：22-26.