电纺pvdf-pei复合纤维薄膜的制备与性能研究

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1、电纺PVDF/PEI复合纤维薄膜的制备与性能研究第1章绪论1.1课题背景及研究意义近几年，纳米材料因其显著的尺寸效应，在光学、电学、力学等方面与传统材料明显不同而广受研究。纳米纤维作为一种纳米材料，其最大的结构特点是其比表面积大，活性大，产生小尺寸效应，宏观隧道效应等，在物理和化学方面表现特别的性能。纳米纤维已在过滤材料、催化剂、酶的载体、生物医药功能材料、传感器材料、吸音材料、增强材料和电极材料等领域得到重要应用[1]。静电纺丝技术是现有的，唯一一种可连续制备纳米纤维(直径为几纳米)的技术，通过静电纺丝技术可制备无机纤维薄膜、聚合物纤维薄膜等[2]。锂离子电池的比能量较高，并且对环境影响小。

2、正是由于锂离子电池具有这样的优势，在电动汽车的行业中有希望成为电动汽车能量这一块的支柱[3]。随着新能源领域科技的不断发展，对储能核心的要求也越来越高，也就是说对动力电池的隔膜性能有了更为严格的标准：不单单要有高的离子电导率；在性能的安全上也要有更为苛刻的要求。而目前市面上的锂离子电池存在着诸多的问题，如何提高电池隔膜的性能是解决问题的关键之一。已投入生产的锂离子电池隔膜大多以聚烯烃类微孔膜为主，但其存在的缺点为当工作温度高于90℃的时候，聚烯烃类微孔膜会出现较严重的热收缩现象，这样的现象会使隔膜无法达到隔离电池正负极的效果，从而造成危险[4]；此外，聚烯烃类微孔膜孔还存在隙率较低，吸收电解液

3、性能不好，不利于锂离子转移而影响聚合物电解质体系的离子电导率[4]。所以众多科研人员加紧了对新型隔膜的研究，如对PAN[5]、PET[6]、PEO[7]、PI[8]、PMMA[9]、PVDF及其共聚物[10]等多种聚合物基体的研究，以及PEI/PI[11]、PVDF/PMMA[12]、PVDF/PEO[13]等聚合物基复合隔膜的研究，而含氟聚合物在众多的候选者中脱颖而出，这是因为其具有稳定的化学性和与电解液良好的亲和性。而PVDF则是含氟聚合物中最为优秀的代表之一，PVDF具有无定形态的分子链段，这有利于电解液的吸收，并且PVDF具有非常好的机械性能[14]。除了对材料本身的改进外，通过不同的

4、制备方法也有可能增进隔膜的性能，如将静电纺纳米纤维膜和非织造材料等[15]。同时还可以通过在聚合物中加入离子液体或掺杂无机纳米颗粒也能起到增强隔膜的电化学和热稳定性等性能的作用[16]；将不同种聚合物混合通过聚合物之间的相互作用来改善隔膜的机械强力和电化学性能[17]。其中将不同种聚合物混合是较常用的一种方法，聚合物高分子链上的极性基团相互作用，以提高隔膜的机械性能、热稳定性等。另外，无定型聚合物的加入会降低聚合物的结晶度，以提高隔膜的吸液率和离子电导率。..........1.2锂离子电池隔膜概述锂离子电池是由正极、负极、隔膜以及电解质四部分组成。本文以钴酸锂(LiCoO2)为正极，石墨(C

5、6)为负极的锂离子电池为例，详尽阐述一下锂离子电池的基本工作原理。图1-1为锂离子电池工作原理图。从图中可以清楚地看到，当电池在充电的状态时，正离子Li+会从LiCoO2的层间摆脱出来，并释放出相应的电子，此时Li+离子会穿过隔膜的微孔达到石墨的层间中，而释放出的电子会沿着外电路送至负极，形成电路通路。当充电完成后，池的负极处于富锂态，而正极处于贫锂态。放电的过程与之相反。隔膜的微孔结构在整个锂离子电池充放电过程中起来非常重要的作用。隔膜的存在是为了隔离正、负极，以防止正、负极之间接触而发生短路的现象。所以隔膜肯定绝缘材料制成的。并且隔膜必须能让Li+顺利的通过以满足通路的条件，这也是为什么隔

6、膜要具有微孔结构[18]。.........第2章实验部分2.1实验原料及设备为了能够保证实验过程中配得合适纺丝溶液，实验前需要对PVDF和PEI进行处理。将PVDF与PEI在80℃烘箱中干燥4-6小时，除去药品中因吸潮含有的水分，以保证两者在实验的过程中能够较容易的溶解于溶液中。将处理完的样品置于干燥塔中备用。......2.2PVDF/PEI复合纤维薄膜的制备本文采用实验室自组装静电纺丝设备。以东文高压电源(天津)有限公司提供的型号为DF和THF分别加入到三口瓶中，剧烈搅拌直至PVDF与PEI溶解完全后再搅拌8h。将纺丝溶液在真空环境中放置一段时间已脱去纺丝溶液中的气泡。静置脱泡完成后用移

7、液管量取一定量纺丝溶液移至注射器中进行纺丝。在室温条件下，将装有纺丝液的注射器固定在注射泵上，并且将经过除尘处理的铝箔纸黏贴到静置接受装置上面，移动静置接受装置，调节针头与接受装置二者之间的距离一般为(15-20cm)。启动推进装置，调节注射泵设置注射速度为0.8mL/h，确保纺丝液能够在针管口处缓慢流出，并且纺丝溶液在其表面张力和针头内壁粘附力作用下能够形成悬挂的小液滴。将高压电源输出端与针头相