随着社会的不断发展,开发高倍率、高安全性、环境友好的锂离子电池体系是人们不断追求的目标。目前,聚烯烃类隔膜是商业化应用最为广泛的隔膜,然而受自身材质和结构的限制,其电解液浸润性、耐热性和对锂枝晶的阻隔性能等都不能达到理想的状态,基于隔膜修饰而实现的柔性电池也是值得探索的领域;此外聚烯烃类材料难以降解,对生态环境也有影响,寻找替代材料是隔膜研究的一个新方向。基于文献调研,本文从锂离子电池的隔膜入手,开展了如下工作:(一)通过对商业化的聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)隔膜进行表面改性,进而使隔膜表面亲水性官能团与正极材料中所添加的聚丙烯酸(PAA)、聚氧化乙烯(PEO)之间形成氢键网络,从而实现锂离子电池电极的柔性化和电池循环寿命、倍率性能的提高。(二)通过对商业化的PP/PE/PP隔膜进行表面修饰氧化石墨烯(GO)和纳米纤维素(NFC),以提高锂离子电池隔膜的吸液/保液率、抗锂枝晶穿透、抗热收缩等性能,实现提高锂离子电池安全性能的目的。(三)为了实现锂离子电池隔膜的绿色环保功能,提出了以新型材料——藻酸盐辅料作为锂离子电池隔膜的策略。对藻酸盐辅料进行改性,提高了所组装锂离子电池的循环稳定性。具体内容如下:(一)聚烯烃隔膜改性及柔性、高倍率锂离子电极的制备:采用化学氧化法对PP/PE/PP隔膜表面进行预处理,使PP/PE/PP隔膜表面接枝一些羟基、羧基极性官能团,一方面提高其对电解液的浸润性,另一方面为隔膜表面氢键的形成提供结合点。选取具有形成氢键官能团的离子导电聚合物取代部分粘合剂,直接涂覆于表面预处理的PP/PE/PP隔膜上,使预处理隔膜表面的极性官能团与离子导电聚合物之间形成氢键,并在柔性电极材料内部形成氢键网络,从而既保障了锂离子电极的柔性,又增加了锂离子在电极内部的传输性能(提高倍率性能)。红外光谱表明PAA:PEO=4:1(质量比)时,其羟基对应的吸收峰红移最多,电极内部有氢键形成;对电极的截面进行扫描电镜结果表明隔膜与电极材料之间没有明显的界面,说明电极材料牢固的结合在隔膜表面,将柔性电极组装成半电池进一步测试其电化学性能,发现其倍率性能表现良好,在10 C放电倍率下仍具有65.8%的容量保持率;相比而言,同等条件下,采用传统方式组装(电极材料涂覆于铝箔表面)的半电池在10 C放电倍率下只有59.8%的容量保持率。(二)聚烯烃隔膜的表层修饰制备高安全性的锂离子电池:为了提高隔膜的高温抗收缩性能、抗锂枝晶穿刺性能和吸液/保液率。采用氧化石墨烯(GO)和纳米纤维素(NFC)对表面预处理后的隔膜进行表层修饰,制备出GO/NFC复合隔膜。隔膜的表面预处理部分同内容(一),使隔膜能与自身带有羟基、羧基的氧化石墨烯和纳米纤维素更好地结合。扫描电镜结果显示在修饰过程中,氧化石墨烯纳米片和纳米纤维素纤维丝自组装成多层结构。将氧化石墨烯/纳米纤维素复合隔膜组装成的Li/隔膜/Li“三明治”结构的电池,进行持续充电和充放电循环测试,实验结果表明复合层对锂枝晶有明显的抑制作用。对复合隔膜进行热收缩和吸液、保液率测试,实验结果表明复合隔膜的高温抗收缩性能和吸液、保液率有明显提高。(三)藻酸盐辅料用作新型隔膜的改性研究:对藻酸盐敷料进行改性,以用作新型锂离子电池隔膜。使用聚丙烯酸和单水氢氧化锂的混合溶液(溶剂无水乙醇)对其进行改性,去除藻酸盐辅料中所含有的杂质并提高它作为锂离子电池隔膜的离子传输性能。将其组装成三元/改性藻酸盐辅料/锂片半电池,测试结果表明改性藻酸盐辅料能够保障半电池里锂离子的传输和循环稳定性。其热收缩和吸液率、保液率测试,结果表明改性藻酸盐辅料具有良好的高温抗收缩性能和吸液率、保液率。本文前两个体系是对PP/PE/PP隔膜进行改性处理,分别得到柔性高倍率锂离子电池电极和吸液/保液率、耐热性良好的锂离子电池隔膜,考虑到聚烯烃类隔膜不可降解的特性,在第三个体系中对可降解的藻酸盐辅料改性为锂离子电池隔膜的选择提供更多的选择性。通过三个体系的研究,对不同隔膜的改性分别提升了锂离子电池的电化学性能和安全性能,实现锂离子电池体系的柔性和环境友好,希望未来可以构建一个更加绿色、安全、高效的柔性锂离子电池体系。