摘 要

锂离子电池以其较高的能量密度与较低的价格成为目前主流的能源储存器件。随着锂离子电池的广泛应用，进一步提高其使用性能和安全性能是学者们研究的焦点。商业化锂离子电池隔膜多为聚烯烃隔膜（如：聚乙烯、聚丙烯等），因其吸液率、热稳定性较低在一定程度上限制了锂离子电池的性能。

本文尝试采用紫外光接枝修饰的方法，通过液相接枝方式，将[2-（甲基丙烯酰基氧基）乙基]二甲基-（3-磺酸丙基）氢氧化铵单体接枝在聚乙烯隔膜上，以增大隔膜与电解液的相容性从而改善锂离子电池的综合性能。通过优化接枝时间，对修饰后的PE隔膜与PE隔膜在接触角、红外图谱、离子电导率、扫描电镜图以及装成锂离子电池后阻抗图谱、循环性能、倍率性能比较。研究结果表明：当光照时间为180s时，修饰后的隔膜红外图谱显示单体已经接枝到PE隔膜表面，并且测得接触角为14°，较其他隔膜有一定提升，具有较好的亲水性。组装成纽扣电池后，其界面阻抗较小，循环性能、倍率性能较未修饰隔膜有一定提升。

关键词：聚乙烯隔膜 锂离子电池 紫外光接枝 光照时间

Abstract

Due to its high energy density and low cost, lithium-ion battery became the dominating energy storage device on the market. With the wide application of lithium-ion batteries, further enhancing the discharge performance and safety performance has been the focus of further researches. Commercial separators for lithium-ion battery are polyolefin separators (such as: polyethylene, polypropylene, etc.), which have low affinity to electrolyte and poor thermal stability. These drawbacks largely limited the performance of lighium ion battery.

In this thesis, attempts were made to functionalize polyethylene separator with [2- (methacryloyloxy) ethyl] dimethyl- (3-sulfopropyl) ammonium hydroxide monomer by liquid grafting using UV grafting to increase the compatibility of the separator with the electrolyte, which is beneficial to improve the overall performance of lithium-ion batteries. The grafting degree of the separator was controlled by the time of grafting. The grafted separator was characterized with water contact angle, IR and SEM measurements. In addition, the impedance spectra, cycle performance and rate capability of the modified PE separator and PE separator were recorded to investigate the battery performance of the modified separator. The results show that, when the illumination time is 180s, the modified separator shows a low contact angle of 14°. In addition, the separator also shows enhanced electrochemical performance compared to the pristine separator.

Keywords：PE separator；lithium ion battery； UV light grafting；light time

目录

1绪论 1

1.1锂离子电池 1

1.1.1锂离子电池结构组成及其作用 1

1.1.2锂离子电池原理 2

1.2锂离子电池隔膜材料 2

1.2.1隔膜的分类 3

1.2.2隔膜的制备方法 4

1.3隔膜的改性 4

1.3聚烯烃隔膜的紫外光接枝修饰 5

1.3.1 聚乙烯表面紫外光接枝聚合机理 5

1.3.2紫外光接枝方法 6

1.3.3紫外光接枝研究进展 7

1.4本论文研究目的 7

2实验可行性研究 8

3实验内容 9

3.1实验试剂 9

3.2实验仪器 9

3.3接枝溶液的配制 9

3.4 PE隔膜的光接枝修饰 10

3.5正极材料的制备 10

3.6纽扣电池的制备 10

4.1接枝率 12

4.2红外图谱分析 12

4.3润湿性 14

4.4扫描电镜 15

4.5离子电导率 16

4.6电池阻抗谱 17

4.7电池的循环性能以及倍率性能 18

4.7.1循环性能 18

4.7.2倍率性能 19

5主要结论及展望 21

5.1主要结论 21

5.2展望 21

参考文献 22

致谢 24

1绪论

1.1锂离子电池

锂离子电池较传统的二次电池有许多突出的优点，如安全较好的安全性能、较大的工作温度区间、较高的比容量以及较为平稳的放电性能等，使其成为世界应用范围最大的储能设备，特别是在便携式设备、电动汽车、新能源汽车领域等的应用。15年，全球范围内，锂离子电池总产量达到100.75 GWh，由于新能源汽车产业的快速发展，相比于14年产量增长了39.45 %。动力电池达到了14年锂离子电池总量的28.26 %，有较为明显的提升，是锂离子电池产量中举足轻重的一部分。同年，国内锂产业的发展焦点聚集，新能源汽车产量达到37.89 万辆，相比于预期，有较为明显的提高;锂电池产量达到47.13 GWh，同比增长了54.78 %，我国已经成为全球最大的锂金属消费国。据相关统计，2015年，我国基础锂盐消费水平全球最高，其消费总量约占全球锂产量的一半，锂电材料是锂盐最主要的应用领域，约占我国锂盐消费总量的70 %^[1]。

1.1.1锂离子电池结构组成及其作用

经典的锂离子电池与传统的二次电池基本结构组成相同，都是由正极、负极、隔膜、电池壳四个重要部分组成。

锂离子电池一般采用钴酸锂或者锰酸锂作为正极活性物质，目前又出现了三元正极材料（镍钴锰酸锂等）。钴酸锂一般应用于便携式设备，三元正极材料向两个方面发展：一是高能量的小型便携式设备，如手机、蓝牙、超级本；二是功率密度高的电动工具，如电动自行车、电动汽车等^[2]，在实际中的应用如特斯拉新能源汽车公司推出一款以镍钴铝三元材料为锂离子电池正极活性物质的量产车型Model S ^[3]。由于体积较大、性能较差而且成本较高，纯的磷酸锂或者锰酸锂渐渐退出锂电的舞台。电极上的导电集流体采用厚度为10-20 μm的铝箔片。