纸基电池隔膜的制备研究进展及其应用前景(2)
图1 电池隔膜的SEM图[1]注:a 为商业聚丙烯电池隔膜纸;b 为没有阻燃和耐热性能的纸基电池隔膜;c 为具有阻燃和耐热性能的纸基电池隔膜纸(FCCN);d 为高倍SEM 电镜下的FCCN 隔膜纸
毛慧敏等[23]采用针叶木和纳米纤维素(NFC)混合抄配的方式制备离子电池隔膜,由于NFC 材料具有孔隙结构高的特点, 因此制备得到的电池隔膜具有良好的透气性, 与国产PP 隔膜相比其透气性更好。 相比于国内的PP 隔膜和国外的Celgard 2400 PP 隔膜,这类隔膜的孔隙率高、抗张强度大、润湿性好、热稳定性优良,克服了市场上许多商业电池的不足之处(表1)。 随着离子电池的发展,以传统的聚乙烯材料制成的隔膜慢慢显露出不足, 这类方法制备的电池隔膜如何用于制备耐高温、 高安全性的离子电池,还需科研人员进行重点研究。
表1 NFC隔膜、国产PP隔膜和美国Celgard 2400 PP隔膜性能的对比[23]隔膜类型 厚度/μm抗张强度/(kN·m-1) 透气度/s·(100 mL)-1吸液率/%纵向 横向孔隙率/%平均孔径/μm最大孔径/μm吸液高度/mm NFC 33 1.80 1.76 260 60 0.30 0.54 33.2 177 Celgard 2004 PP 25 3.10 0.56 620 38 0.53 0.76 10.6 67国产PP 20 3.72 0.36 350 45 0.62 0.82 — —
1.1.2 纤维素纤维与其他纤维共混复合电池隔膜
国外的DWI 公司(Dreamweaver International)报道了一款由纳米纤维素纤维和微米纤维复合制备的电池隔膜,微米纤维在其中起到骨架和支撑作用,纳米纤维填充到微米纤维孔道中, 制备得到的隔膜具有良好的孔隙率和机械强度。用DWI 隔膜组装的软包电池在许多方面的性能与三层PE/PP/PE 隔膜相当,并且具有更好的稳定性[24]。
此外,利用造纸法制备的纤维素/PI 复合电池隔膜也取得了很好的实验结果。聚酰亚胺(PI)的性能优异,是制备电池隔膜的优良材料[25]。采用一定打浆度的溶解浆与PI 纤维,将两者混合后抄造纸张,当二者的混合比例为3:1 时, 制备的电池隔膜纸性能良好。这种复合电池隔膜纸与传统聚烯烃类隔膜相比,吸液率提高,孔径减小,孔隙率增大,抗张强度增加,热稳定性增强[26]。
1.1.3 其他种类电池隔膜
国内有学者首先用NaOH/尿素体系制备纤维素隔膜, 再以纤维素纸基为基膜, 在表面涂覆纳米SiO2/PVA 对纤维素纸基进行改性,制备得到纸基电池隔膜纸[27]。这种方式得到的电池隔膜纸,热收缩率降低,机械性能增强,吸液率和孔隙率均有所增加,性能有较大提升[28]。
离子体系中纤维素改性制备纸基电池隔膜。 以实验室制备的离子液体作为溶剂对天然纤维素和尼龙进行溶解,采用PVP K30(聚乙烯吡咯烷酮)作为添加剂共混铸膜液, 并以无纺布为支撑底基, 采用L-S 相转化法制备得到电池隔膜纸。 这种方式得到的纸基电池隔膜,吸液率、保液率和孔隙率等物理性能均有所提高,机械强度增加,热稳定性能增强[29]。
细菌纤维素属于纤维素的一种, 但是却具有一些其他纤维素没有的特性[30],这使得细菌纤维素成为制备特种纸和功能纸的优良材料[31]。 可以采用细菌纤维素/PET 混合制备电池隔膜,以PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜为基膜,将事先分散好的细菌纤维素以适宜浓度与PET 膜进行复合[32],这种方法制备得到的电池隔膜纸,抗张指数,吸水性,吸液率均得到提高[33]。
1.2 电池隔膜的生产工艺
1.2.1 干法工艺
干法工艺又称熔融拉伸法, 分为干法单向拉伸工艺和干法双向拉伸工艺。 干法单向拉伸工艺是将结晶度较低的高取向聚丙烯或聚乙烯纤维在低温下进行拉伸形成微缺陷,再经高温退火,获得高结晶度的取向微孔膜。
干法双向拉伸是在聚丙烯中加入β 晶型具有成核作用的改进剂,利用不同聚丙烯间存在的密度差异,使晶型在双向拉伸的过程中发生转变产生微孔。
1.2.2 湿法工艺
湿法工艺又称热致相分离法, 利用高聚物和某些小分子化合物在较高温度时形成均相溶液, 而当温度降低时又发生液/液或固/液相分离, 通过在凝胶固化过程中控制溶液组成和溶剂挥发除去小分子化合物,得到微孔膜材料。
1.2.3 静电纺丝
静电纺丝技术(图2)是一种近几年发展起来的纳米纤维的制备工艺,是利用30~100 kV 的直流高压静电对聚合物溶液施压, 从而得到聚合物纤维的纺丝技术。 通过静电纺丝工艺制得的纤维具有较高的比表面积、较小的纤维直径、较高的孔隙率(80%以上)和较高的电导率等优点。
文章来源:《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/qikandaodu/2020/1109/359.html
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