摘要
随着科技的快速发展，锂离子电池因其具有输出电压高、比能量大、良好的循环性能以及环境友好等诸多优点，在便携式电子设备、医药行业、电动汽车、能源存储等领域得到了广泛的应用。锂离子电池中的隔膜将电池正负极分隔，为离子传输提供通道，实现离子传导，是电池安全性、容量和寿命的重要决定因素。本文以酚醛纤维为主要纤维原料，芳纶浆粕为增强纤维，采用传统湿法造纸工艺并结合酚醛树脂浸渍、热压工艺制备了酚醛纤维基锂离子电池隔膜纸，并对该隔膜材料的结构和性能进行了研究，为机械性能、热稳定性、电解液润湿性以及阻燃性能优良的电池隔膜纸的生产提供依据。 首先用PFI打浆机对酚醛纤维进行原纤化处理，显微镜下观察酚醛纤维的分丝帚化情况，并对打浆前后的酚醛纤维进行纤维分析。结果表明酚醛纤维在打浆20000r下最适合与其他纤维配抄成型。在酚醛纤维与芳纶浆粕的质量比为4:6时隔膜纸的抗张指数、耐破指数、孔隙率、吸液率均达到最大，分别为15.49N·m·g-1、0.99kPa·m2·g-1、60%、247.25%。为保证纤维的分散性，PEO添加量为0.75%时，隔膜纸的强度和匀度较好。 然后通过研究酚醛树脂浸渍对隔膜纸性能的影响，发现随着酚醛树脂浸渍溶液浓度增加，黏度也随之增加，浸渍后纸样的上胶量、厚度、抗张指数和耐破指数均呈现上升趋势，孔隙率逐渐减小，平均孔径呈现先减小后增大的趋势。电池隔膜材料应具有较高的保液能力，在保证高孔隙率的同时应减小平均孔径，因此选取酚醛树脂浸渍液浓度7%，此浓度下浸渍后的酚醛纤维基锂离子电池隔膜纸的上胶量达到了21.40%，孔隙率59.97%，平均孔径2.85μm，隔膜纸的综合性能优异。 进一步研究了制备酚醛纤维基锂离子电池隔膜纸的最佳热压工艺。结果表明，热压条件调整为温度180℃、压力10MPa、时间3min时，酚醛纤维基锂离子电池隔膜纸的强度性能优异，此时耐破指数为1.20kPa·m2·g-1，抗张指数为24.67N·m·g-1，热压后纸张结构致密，提升了酚醛纤维基锂离子电池隔膜纸的物理性能。 最后对比了酚醛纤维基锂离子电池隔膜纸和商业Celgard2400隔膜的物理性能、耐温性能、阻燃性能及电化学性能。结果表明：酚醛纤维基锂离子电池隔膜纸具有更好的电解液润湿性，电解液接触角为88.9°，孔隙率和吸液率最高分别为62%和248.5%，分别是Celgard2400隔膜的1.48倍和2.75倍；隔膜纸具有优异的热稳定性，起始分解温度较高，残炭率高，180℃下的热收缩率小于3.5%；隔膜纸具有优异的阻燃性能，不能被点燃，只能被炭化；隔膜纸具有更低的介电常数，绝缘性能好；离子电导率为1.36mS·cm-1，约为Celgard2400隔膜的4.9倍（0.28mS·cm-1），具有更高的离子传输性能；酚醛纤维基锂离子电池隔膜纸在电池循环过程中可以有效的抑制锂枝晶的生长，减少了死锂的产生，优异的机械强度可以避免锂枝晶刺破隔膜引发电池内部短路，从而避免电池发生热失控事故。
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