静电纺丝法制备锂负极包覆膜.docx

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摘要

锂离子电池是一种新兴高效的能源储存系统，因其绿色无污染、自放电率低、高能量密度等受到人们的广泛关注。为改进锂离子电池商业应用中的技术制约，将研究点主要放在锂离子电池负极材料保护上。一些方法可以改进负极材料的电化学性能，如采用复合电极、调整充放电模式、电极结构设计、电解液改性、人造保护膜等改善优化电池的电化学性能。

本文中介绍了什么是锂离子电池及其分类，锂离子电池的改性研究。实验中主要是以PAN为原料制备PAN（聚丙烯腈）纤维薄膜，涂覆季铵盐壳聚糖进行改性研究，并用(硝酸锂)酒精溶液浸泡，负极保护材料。对纤维膜和组装好的锂离子电池进行表征。经过系统的研究，其具体内容如下：制备PAN纤维膜时，室温下使用磁力搅拌，以2.0gPAN纳米粉末为溶质，20.0mLDMF(N,N-二甲基苯酰胺)为溶剂，在室温下搅拌溶解，制备10wt%的PAN/DMF静电纺丝前驱液，通过静电纺丝技术制备PAN纳米纤维膜。制备壳聚糖改性PAN复合纤维膜，先将0.2g季铵盐壳聚糖搅拌溶解于10mL去离子水制备壳聚糖溶液，将溶液涂覆于热压干燥后的PAN纤维膜，干燥后得到改性PAN复合纤维薄膜。再用0.1mol/L的酒精溶液浸渍直径为19mm的PAN复合隔膜，置换，干燥。用SEM(扫描电子显微镜)检测PAN纤维膜及其复合材料的表面形貌和微观结构。通过对上述材料制成隔膜后组装的锂离子电池进行电化学性能测试，证实PAN复合材料保护了锂离子电池负极，并提高了电池的电化学性能。

关键词：锂离子电池；负极保护；静电纺丝；PAN复合材料；壳聚糖

第一章绪论

1.1问题的提出与研究

能源问题一直备受人们的关注，煤、石油、天然气等不可再生能源逐渐被消耗殆尽，并且环境污染问题随着科技快速发展和经济发展日益严重。为了现代社会的持续健康发展，首要目标就是治理环境污染和解决能源短缺等迫在眉睫的问题。各国政府纷纷响应保护环境持续发展的号召，将发展环境友好型可再生能源作为战略举措列入各国的发展计划中。我国更是将“推动绿色发展、促进人与自然和谐共生”列入十四五规划和2035远景目标纲要。目前，探索和发展新能源产业已经在全国范围内得到广泛发展。新能源主要有太阳能、氢能、风能、核能等，但是这些能源存在着发展缓慢、转化效率低、产业规模小、生产成本高还有地域因素等不确定问题的影响。为了克服这些问题，科学家们目光转移至锂离子电池领域上。锂离子电池就是一类正负极材料中含有锂单质及其化合物的化学电源的产品总称。在诸多储能器件中，锂离子电池因其出色的性能而备受关注。其中锂离子电池具有较大的体积，能量密度和质量能力，有密度较长的寿命最高的标称电压，较低的自放电率以及较好的稳定性能等特点。另外，由于锂离子电池中不含Cr、Pb、Hg等重污染有害元素，更符合绿色可再生能源的要求。锂离子电池作为交通动力电源、电力储能电源、移动通信能源等被广泛应用于军事装备、航天航空、医疗器械等各个领域。但锂离子电池领域人让存在着制约其发展的关键问题，例如：高反应活性、体积膨胀、不均匀沉积、库伦效率低、快充放电性能差等安全问题。科学家们正积极地寻找高高性能且安全的电池材料来满足人类生产生活的需要。随着对锂离子电池领域研究的不断深入，对锂离子电池负极材料的改性保护逐渐成为这一研究领域的重要研究方向。锂负极材料的保护可以通过多种方式进行，比如可以通过采用复合电极、调整充放电模式、电极结构设计、电解液改性、人造保护膜等。长期以来，锂离子电池的研究与应用一直是经久不衰的热门话题。本课题就是基于这些背景和发展趋势展开的。

1.2锂离子电池概述

1.2.1锂离子电池组成及分类

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解质、集流体等五部分组成，依靠锂离子在正负极间的来回穿梭来完成充放电过程[1]。其中作为电池中是电化学反应的参与者、锂源的提供者的正负极材料，其性能决定了电池的能量密度、循环寿命及工作电压。正负极在电池中主要起到传导电子，形成电流回路的作用；并且在电池工作电压窗口内保持电化学稳定[2]。电解液是锂离子电池获得高能比、高电压的保障，在电池中主要起到离子传输、电荷转移的作用。避为了保证在电池循环过程中电池发生短路，隔膜材料被应用在电池中隔绝正负极，阻止两极直接接触。

隔膜应具有较佳的力学性能和化学稳定性，由于其长时间处于电池内部应力影响和电解液作用环境。

图1-1不同类型的锂离子电池示意图

作为高性能的二次电池，锂离子电池因为其绿色、便携、无记忆效应等被广泛应用于移动电话、数码相机、电脑笔记本、心脏起搏器等领域。生产商家根据消费者对锂离子需求对锂离子电池形状进行调整，目前主要有圆形、方形、纽扣形、薄膜形四大商用锂离子电池类型。这些锂离子电池都是由正负极、电解质材