锂离子电池隔膜用熔喷非织造布的叠层及电化学性能研究

锂离子电池隔膜用熔喷非织造布的叠层及电化学性能研究

随着环境保护和能源消耗的发生，阳离子电池具有高比能量、长循环时间、无记忆效果、安全、可靠、快速充电等优点，广泛应用于相机、电动工具和摄像头等电子产品中。而熔喷非织造布具有孔隙率高、微孔结构曲折、保液性高及尺寸收缩小等优点,且自20世纪60年代以来,Esso研究工程中心就尝试将熔喷非织造布应用到锂离子电池隔膜材料中1实验1.1别记为试样试样实验材料:聚丙烯(PP)熔喷非织造布(北京擎汉科技有限公司),分别进行1、2、3、4和5层叠加,分别记为试样1、试样2、试样3、试样4和试样5;正丁醇(分析纯AR,无锡市展望化工试剂有限公司)。实验仪器:YG(B)141D型织物厚度仪(温州大荣纺织标准仪器厂),PSM165(TOPAS),新威高性能电池检测系统(深圳市新威尔电子有限公司),电化学工作站(CHI660E,上海辰华仪器有限公司)。1.2离子电池间距的性能测试1.2.1试样的孔隙率测量采用YG(B)141D型织物厚度仪测量上述5种试样的厚度;采用PSM165测试上述5种试样的孔径大小及孔径分布。选取上述5种试样,裁剪成2cm×2cm的正方形,测量其厚度及质量,之后将5种试样分别浸入到一定量的正丁醇溶液中。2h后取出并用滤纸吸掉其表面多余的液体,称量浸润后3种试样的质量,然后根据下列公式进行计算式中:P为试样的孔隙率,%;M选取上述5种试样,裁剪成2cm×2cm的正方形,测量其质量(m式中:W为试样的吸液率,%;m1.2.2锂离子电池的组装为了评价上述5种试样的电池阻抗性能,采用电化学工作站测试按照不锈钢片/隔膜/不锈钢片/泡沫镍的顺序组装的锂离子电池CR2032(称1号电池)的交流阻抗(EIS)。采用电化学工作站测试,测试过程中交流扰动电位为10mV,频率范围为0.01~100000Hz通过新威高性能电池检测系统测试采用磷酸铁锂(LiFePO2结果与分析2.1聚丙烯熔喷非织造布叠加层数表1中列出了5种试样的基本性能。图1显示了5种试样的孔径分布,图2显示了5种试样的孔径分布示意。由表1可知,随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增多,其厚度与面密度不断的增加。当叠加层数达到5层时,聚丙烯熔喷非织造布的厚度达到1.14mm,面密度达到196g/m由表1可知,通过对聚丙烯熔喷非织造布进行叠加,可以减小聚丙烯熔喷非织造布的平均孔径。由图1可知,由1层叠加到5层后,孔径分布范围变窄,由1层的11.2~30.5μm到5层的1.8~22.2μm。其中3层、4层及5层,小孔径占的比例越来越大,大孔径比例在减少。图2为5种试样孔径分布示意图,表明5种试样中孔径分布的均匀性。孔径分布越均匀越好,均一的孔径分布有助于避免大功率放电时电流的不对称导致电极性能的衰减2.2熔喷非织造布的孔隙率,总体积的成图3显示了5种试样的孔隙率和吸液率。由图3可以看出,随着叠加层数的增加,孔隙率缓慢增加。孔隙率是孔隙的体积占总体积的百分比。聚丙烯熔喷非织造布由1层增加到5层,孔隙率由45.6%变到49.8%,变化率仅为9.21%。吸液率由564%变到595%,变化率仅为5.5%,变化不明显。因为聚丙烯熔喷非织造布的吸液率与两个因素有关,一是聚丙烯熔喷非织造布本身带有的基团;二是聚丙烯熔喷非织造布的毛细效应,而毛细效应与聚丙烯熔喷非织造布的孔隙率相关2.3用苯磺酸非纺织布粉理剂的性能2.3.1内阻和物理性能采用CHI660E电化学工作站对5种试样的阻抗进行测试,图4显示了5种试样的阻抗值大小(直线与Z’轴的交点)。由图4可以看出,试样1的内阻为(3.71±0.1)Ω;试样2的内阻为(3.92±0.1)Ω;试样3的内阻为(6.32±0.1)Ω;试样4的内阻为(7.63±0.1)Ω及试样5的内阻为(10.1±0.1)Ω。在不考虑孔隙率及吸液率影响的条件下,聚丙烯熔喷非织造布的阻抗值随叠加层数的增加而增加。结合表1与图1发现:聚丙烯熔喷非织造布的阻抗值与聚丙烯熔喷非织造布的厚度,孔径大小及孔径分布有关。当聚丙烯熔喷非织造布的厚度由0.22mm变到1.14mm,平均孔径由25.8μm变到4.2μm,孔径分布由1层的11.2~30.5μm到5层的1.8~22.2μm,其阻抗值逐渐增大。同时,试样的阻抗值大小与试样的孔隙率及吸液率有关,随着试样孔隙率及吸液率的增加,试样的阻抗值减小2.3.2聚丙烯熔喷非织造布在试样电极材料中的动态锂离子电池的工作原理为:充电时,锂离子从正极材料的晶格中脱嵌出来沉积在锂金属表面;放电时,锂离子从锂金属表面溶解下来再嵌入到正极材料晶格中。但在锂离子沉积到锂金属表面后,正极材料发生了不可逆的相变,部分锂离子无法回嵌如图5与图6所示,显示了含1~5层聚丙烯熔喷非织造布的锂离子电池的充放电曲线及循环曲线图。由图6可以看出:随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增加,循环图中放电比容量逐渐下降,而库伦效率由开始的波动逐渐稳定。聚丙烯熔喷非织造布厚度增加会降低电池的容量2.3.3锂离子电池的倍率性能锂离子电池的倍率性能反映的是锂离子电池在不同电流下的充放电性能。倍率越高能够承受的放电电流越大。具体的含1~5层聚丙烯熔喷非织造布的锂离子电池的倍率性能如图7所示。如图7所示,显示了含1~5层聚丙烯熔喷非织造布的锂离子电池的倍率性能。由图7可知,随着倍率的增加,锂离子电池的放电比容量都不同程度的降低。因为锂离子电池电动势不变,由于电流变大,极化内阻变大,造成输出电压的快速降低,提前减小到限制电压,使得锂离子电池未达到额定容量,容量减小3聚丙烯熔喷非织造布叠加层数对放电容量的影响对锂离子电池隔膜用熔喷非织造布进行叠层分析,结果表明:a)随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增加,其厚度增加,孔隙率及吸液率增加,孔径减小且孔径分布也更加的均匀。b)随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增加,其内阻增加,由3.71Ω增加到10.1Ω。c)随着聚丙烯熔喷非织造布叠加层数的增加,其首次充放电容量降低。当叠加层数为5层时,其放电比容量为82mAh/g。高倍率