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多孔无机膜的制备及其作为锂离子电池隔膜的研究

作　者: 陈静娟
导　师: 王海辉
学　校: 华南理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 锂离子电池 隔膜 多孔无机膜 Al2O3 一体化电池
分类号: TM912
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


隔膜是锂离子电池的重要组成部分，锂离子电池的安全性能很大程度上取决于隔膜的性能，而目前商业化的锂离子电池广泛使用聚合物隔膜，而聚合物隔膜容易被锂枝晶刺穿、在过热时发生形变等引起电池内部短路，从而导致电池损坏甚至短路起火等。另外，由于聚合物隔膜自身的疏水性能，导致其对电解液的浸润和保存性能差，限制了电池大倍率性能，从而影响了锂离子电池在电动汽车上的应用。人们开发了有机-无机复合隔膜、聚合物电解质隔膜等，但是这些隔膜材料仍然存在热稳定性差、离子电导率差等问题。多孔无机膜由于其具有良好的绝缘性能、热稳定性、电解液浸润和保存性能等，被考虑用作锂离子电池隔膜。本论文针对锂离子电池体系，以提高电池的安全性能、倍率性能和低温性能为目的制备了Al2O3隔膜、SiO2隔膜和AAO膜等，并设计基于自支撑隔膜的一体化电池，利用SEM对隔膜的形貌进行分析、采用恒流充放电测试、交流阻抗法等手段对其电化学性能进行了深入系统的研究。首先，通过二次高温烧结纳米Al2O3、微米Al2O3和造孔剂EDTA制备多孔Al2O3膜，对其微观结构、孔隙率、电解液的浸润性能进行了研究，结果表明：相对于聚合物隔膜，多孔Al2O3膜具有较高的孔隙率、电解液保存性能；浸润电解液的Al2O3膜具有优异的电导率，使用Al2O3隔膜的LiFePO4/石墨电池具有很好的循环性能、倍率性能和低温性能等。因此，多孔Al2O3可以用作锂离子电池隔膜。其次，通过高温烧结廉价易得的商业化SiO2粉制备多孔SiO2膜，并将其用作LiMn2O4/Li电池隔膜。多孔SiO2膜具有良好的机械性和孔隙率，并且具有很好的电解液浸润和保存性能。由于SiO2的亲水性和能与电解液中微量的HF反应，从而提高了LiMn2O4/Li电池的循环性能、倍率性能和低温性能，并且在一定程度上减缓了LiMn2O4的在高温时的容量衰减。这种廉价易得、性能优异的SiO2隔膜，对锂离子电池性能的提高、价格的降低都有很大作用，为无机隔膜在锂离子电池上的应用提供了有益的选择。再次，利用自制的简单的装置通过二次阳极氧化的方法高效环保地制备了通孔阳极氧化铝膜（AnodicAluminum Oxide，AAO），该通孔AAO膜厚度降至60μm、孔隙率高达72%仍保持足够的机械强度。AAO膜表现出很好的对电解液的吸附和保持性能，同时非水电解液对亲水性的AAO膜的浸润性能优于聚合物隔膜。与聚合物隔膜相比，使用AAO膜作为隔膜的LiFePO4/石墨电池表现出更好的循环性能、倍率性能和低温性能等。同时利用交流阻抗测试（EIS）分析AAO隔膜对电池性能的影响。实验结果表明，AAO隔膜具有很好的应用前景。最后，通过将电极材料涂覆于二次烧结制备的多孔Al2O3膜两侧，制备自支撑的一体化电池，这种自支撑的一体化电池具有良好的电化学性能，简化了电池的制备工艺，省去了将电极材料与隔膜贴合在一起的支撑体和外界压力，同时能够避免电池在运输和撞击过程中隔膜的错位导致的电池内部短路等。更重要的是，这种自支撑的一体化电池可用于设计可插入式的电池堆栈，这种结构的电池易于设计、管理和维护，为大型电池的设计提供有益的参考。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章 绪论  12-38
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 锂离子电池概述  13-21
    1.2.1 锂离子电池发展简史  13-14
    1.2.2 锂离子电池的工作原理、分类及特点  14-18
    1.2.3 锂离子电池的结构及组成  18-21
  1.3 锂离子电池隔膜研究现状  21-32
    1.3.1 隔膜的市场需求  21-23
    1.3.2 锂离子电池隔膜的性能要求  23-24
    1.3.3 锂离子电池隔膜的主要特性  24-26
    1.3.4 锂离子电池隔膜的类型  26-31
    1.3.5 国内外锂离子隔膜研发及产业化现状  31-32
  1.4 多孔无机膜简介  32-34
    1.4.1 多孔无机膜的特性  32
    1.4.2 多孔无机膜的分类  32
    1.4.3 多孔无机膜制备方法  32-34
  1.5 锂离子电池材料的研究方法  34-37
    1.5.1 循环伏安法  34-35
    1.5.2 交流阻抗图谱  35-36
    1.5.3 电池充放电测试  36-37
  1.6 本论文研究内容  37-38
第二章 多孔 Al_2O_3膜作为锂离子电池隔膜的研究  38-51
  2.1 引言  38-39
  2.2 实验部分  39-41
    2.2.1 试剂与原料  39
    2.2.2 样品的制备  39
    2.2.3 多孔无机隔膜的物理性能及电化学性能测试  39-41
  2.3 结果与讨论  41-50
  2.4 本章小结  50-51
第三章 多孔 SiO_2膜用于改善 LiMn_2O_4/Li 电池性能的研究  51-65
  3.1 引言  51-54
  3.2 实验部分  54-55
    3.2.1 试剂与原料  54
    3.2.2 多孔 SiO_2膜的制备  54
    3.2.3 多孔 SiO_2膜的物理性能及电化学性能测试  54-55
  3.3 结果与讨论  55-64
  3.4 本章小结  64-65
第四章 通孔 AAO 膜作为锂离子电池隔膜的研究  65-77
  4.1 引言  65-66
  4.2 实验部分  66-68
    4.2.1 试剂与原料  66
    4.2.2 AAO 膜的制备  66
    4.2.3 AAO 膜的表征  66-67
    4.2.4 电池性能测试  67-68
  4.3 结果与讨论  68-76
  4.4 本章小结  76-77
第五章 基于多孔 Al_2O_3隔膜的自支撑一体化电池设计  77-85
  5.1 引言  77-78
  5.2 实验部分  78-79
    5.2.1 试剂与原料  78
    5.2.2 基于自支撑隔膜的一体化电池的制备  78
    5.2.3 形貌与结构表征  78-79
    5.2.4 电化学性能测试  79
  5.3 结果与讨论  79-84
  5.4 本章小结  84-85
结论与展望  85-87
参考文献  87-105
攻读博士学位期间取得的研究成果  105-107
致谢  107-108
附件  108

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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