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摘要
锂、钠金属电池具有远高于锂离子电池的能量密度,成为后锂离子电池时代研究的热点
领域和产业追求的目标。然而,锂、钠金属负极在充放电过程中的反复沉积和脱出,易导致
“”
金属枝晶的不断析出,带来安全隐患以及产生死锂(钠)所引起的低库伦效率问题。目前,
传统商用聚烯烃隔膜虽然能够满足锂离子电池的应用需要,但是这类隔膜存在热稳定性差、
与金属锂、钠负极的界面兼容性差、与常用的有机液体电解液润湿性差等问题,因而不能很
好地满足金属电池体系的新要求。因此,为匹配锂、钠金属电池工作特征,有针对性地开发
具有高热稳定性、高界面兼容性和高润湿性等特点的新型多功能隔膜具有重要科学研究意义
SiO
和产业应用价值。为实现这一目标,本文根据二氧化硅()材料高热稳定性和表面极性
2
较强等特点,提出以SiO2纳米线为构筑单元制备金属电池用新型隔膜,重点围绕超细SiO2
SiO
纳米线制备及工艺优化、纳米线薄膜的组装、改性和功能特性探究等方向开展系统研究,
2
主要内容和结果如下:
1.“”
采用自上而下方法,以廉价石棉纤维为原材料,通过分散疏解和酸浸除杂工艺制备
得到了一种超长超细的SiO2纳米线。该纳米线长度超过30μm,直径约20-70nm,单分散性
好,为SiO2纳米线多功能隔膜的构筑奠定了基础。上述纳米线的制备工艺通过正交试验法优
选得到,从各种石棉纤维矿中优选出纯度高、成本低、劈分性好的纤蛇纹石为原料,研究了
疏解过程中反应温度、反应时间与表面活性剂浓度对纳米线制备质量的影响规律,再通过单
因素试验探究酸洗纯化过程中反应温度、反应时间和酸浓度对纳米线形貌和组分的影响,进
“”
而获得了超长超细纳米线的最优制备工艺条件。相比传统自下而上的二氧化硅纳米线制备
工艺,本方法工艺简单、成本低廉,适合大规模制备,同时为石棉尾矿的循环利用提供了新
思路、新方法。
2.以上述超长超细的SiO2纳米线分散液为原材料,通过流体导向自组装的方法制备了三
维多孔结构的纯无机SiO2纳米线隔膜,对所制备隔膜的物理化学、热学、力学和电化学性能
进行表征。结果表明,得益于SiO2纳米线的本征高熔点、强极性表面、超长纳米线的缠绕效
应和超细纳米线的纳米尺寸效应,所开发的纯SiO2纳米线隔膜热稳定性好且能阻燃耐火、孔
结构丰富且细密、与电解液润湿性优异、吸液率高、保液性强、离子迁移率和电导率高,在
金属锂充放电过程中,该薄膜的特殊孔结构有助于获取均匀稳定的离子流以抑制金属锂的不
均匀溶解和沉积,明显抑制了锂枝晶的形核与生长,极大地提高了电池的安全性。相较传统
SiO
聚烯烃隔膜,纳米线隔膜更加适合在锂金属电池中应用,但还需解决纳米线间缺乏化学
2
交联而导致隔膜力学性能差这一问题。
I
3.SiO(-co-)PVDF-HFP
针对上述问题,以2纳米线为骨架、以聚偏二氟乙烯六氟丙烯()
为复合材料,研制PVDF-HFP增强二氧化硅纳米线隔膜。研究结果表明PVDF-HFP含量为
40wt%的复合隔膜不仅保持了纯SiO2纳米线隔膜良好的电解液浸润性、吸液率、保液性和优
良离子迁移率、电导率及热稳定性。而且由于PVDF-HFP与二氧化硅纳米线间强化学交联作
用的引入,有效解决了纯SiO2纳米线隔膜力学性能差的问题,获得了一种机械强度高和柔韧
性优异的复合隔膜。相较纯SiO2纳米线隔膜,该复合隔膜的拉伸强度提升了250%,断裂伸
长率增加了146%。同时,复合隔膜的表面比纯SiO2
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