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材料学硕士论文(精心编辑6篇)

来源:原创论文网 添加时间:2019-09-29

  材料学主要是对材料组成、结构、工艺、性质和使用性能之间相互关系研究的学科,主要研究材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供科学的依据。下面我们就为大家介绍一些材料学硕士论文,学习本专业的同学可以参考一下!

材料学硕士论文精心编辑6篇第一篇:地开石孔结构调控与在储能电池中的应用

摘要

  隔膜是锂离子电池的四大重要组成之一,其性能影响电池的容量、稳定性和寿命。目前,普遍使用的锂离子电池隔膜是聚烯烃类隔膜,尽管此类隔膜有诸多优点,但其较差的热稳定性和电解液润湿性是导致锂离子电池安全事故频发的重要原因。因此,开发高性能隔膜是提高电池安全性的一种有效手段。本文制备多孔地开石涂覆无纺布作为电池隔膜,采用插层和化学反应相结合的方式调控地开石的孔结构,进而调控涂覆隔膜的孔结构。地开石的多孔形貌是通过膨胀剂插层和引发剂在高温条件下的引发实现的,本文首先尝试两种结构相似的膨胀剂(硫脲、尿素)对地开石插层,XRD及FTIR测试结果表明,两种膨胀剂均能插入地开石层间,扩大地开石的层间距,但硫脲插层需要有机分子多次替代才能实现,而尿素则更容易进入地开石的层间形成插层复合物。之后,重点研究膨胀剂尿素和引发剂氯酸钾的用量对地开石狭缝孔形成的影响。TG-DTA结果表明,尿素与氯酸钾的质量比可以调控地开石的片层膨胀程度。地开石片层膨胀形成的狭缝孔尺寸随着尿素与氯酸钾质量比的增大而逐渐增大。当40wt%氯酸钾与质量比3/4的尿素/地开石插层复合物混合煅烧后,地开石形成的多孔结构的孔尺寸达到0.212μm.

  本文继续探讨了孔结构可调控的地开石对涂覆隔膜的电化学性能的影响,分别测试涂覆隔膜在两种不同电池系统中的性能。实验以丙烯腈多元水共混物(LA133)为粘结剂,以浸涂方式涂覆无纺布。实验结果表明,多孔地开石含量的增加有利于改善涂覆隔膜的孔结构,特别是孔隙度的提高。多孔地开石能够提高隔膜的润湿性,改善电极与电解液的界面兼容性。采用多孔地开石涂覆的隔膜机械强度高于铅酸蓄电池隔膜AGM.高含量多孔地开石涂覆隔膜在ZnSO4和Li2SO4混合水系电解液中的离子电导率为13.12mS/cm.此外,多孔地开石提高了无纺布的尺寸稳定性。在Zn/LiMn2O4水系锂离子电池中,多孔地开石能够有效地抑制欧姆极化,减少界面阻抗。多孔地开石涂覆隔膜表现出极高的放电比容量和倍率稳定性,循环100圈后容量保持率87%,比AGM的容量保存率高5%.

  研究证实,膨胀程度不同的地开石对于优化隔膜的孔结构有着极其重要的作用,良好的孔结构能够提高隔膜的孔隙度,增大电解液的容纳量。此外,多孔地开石的羟基有助于离子的传输,抑制电极极化和减小电池的内部损耗。多孔地开石隔膜对水和有机电解液均具有良好的亲和性,提升在溶剂为碳酸乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)(体积比1/1)的LiPF6电解液中的离子电导率(3.157mS/cm),且离子迁移数达到0.64.甚至,涂覆隔膜在高温下仍能保持极佳的热稳定性。在Li/LiFePO4有机锂离子电池体系中,结构优化最佳的涂覆隔膜具有极高的放电容量和优异的倍率性能,其循环200圈仍能保持93.4%的容量。

  关键词:插层,多孔地开石,膨胀程度,水系锂离子电池,有机锂离子电池

材料

Abstract

  The separator, which affects the interfacial structure, capacity, stability and cyclelife of the battery, is one of the four components of lithium ion batteries. At present,the common commercial separator is polyolefin separator because of its many advantages. However, the poor thermal stability and electrolyte wettability of polyolefin separators lead to frequent safety accidents. Therefore, the development of high-performance separator is an effective means to improve the safety of batteries.

  In this paper, intercalation and chemical reaction were applied to adjust the pore structure of the dickite and further regulated the pore structure of the coated separator. The porous morphology of dickite is formed by expansion agent and initiator on the condition of high temperature. The intercalation complexes were prepared by two kinds of expansion agent (thiourea and urea) with similar structures. The results of XRD and FTIR show that two kinds of expansion agent can intercalate dickite interlayer, and expand the interlayer spaces of dickite. The intercalation of thiourea into the interlayer spaces of dickite requires multiple displacement intercalations of organic molecules, while urea is more likely to form intercalation complexes. The TG-DTA results show that the mass ratios of urea and potassium chlorate could control the expansive degree of dickite. The size of the slit pore of porous dickite increases with the increase of the mass ratios of urea to potassium chlorate. Aftercalcining the mixture of 40 wt% potassium chlorate and urea/dickite intercalation complex with a mass ratio of 3/4, the dickite forms the porous structure with channel gap of 0.212 μm.

  In order to investigate the effects of dickite with tunable pore structure on the electrochemical performance of the coated separator, the performance of the coated separator in two different battery systems was tested. The samples were prepared by dip coating method with acrylonitrile polymer (LA133) as a binder. The experimental results show that the increased content of the porous dickite is beneficial to improve the pore structure of the coated separator, especially the porosity. Porous dickite can improve the wettability of the separator and the interfacial stability between the electrode and the electrolyte. The separator coated with porous dickite has higher mechanical strength than the absorbed glass mat (AGM)。 The ionic conductivity of the high content-porous dickite coated separator in the aqueous electrolyte withZnSO4 and Li2SO4 is 13.12 mS/cm. In addition, the porous dickite enhances the dimensional stability of the nonwoven fabric. In rechargeable hybrid aqueous batteries with Zn/LiMn2O4, the porous dickite can effectively suppress the ohmic polarization and reduce the interfacial resistance. The high content-porous dickitecoated separator exhibits high discharge specific capacity and superior C-rate stability. The capacity retention is 87% after 100 cycles, which is 5% higher than that of AGM.

  The study confirms that dickite with different expansive degree plays a vital role in optimizing the pore structure of the separator. A good pore structure can increase the porosity and electrolyte uptake of the separator. In addition, the hydroxyl group of the porous dickite contributes to the ion migration, suppresses electrode polarization, and reduces internal loss of the battery. The separator shows favorable affinity for both organic and aqueous electrolytes resulting superior ionic conductivity (3.157 mS/cm) and lithium transference number (0.64) using organic electrolyte with LiPF6 (EC/DEC, 1/1 by volume)。 Moreover, coated separator exhibits the excellent thermal stability. In lithium ion battery with Li/LiFePO4, the coated separator with optimized pore structure displays high capacity and excellent rate capability. Furthermore, the cells show capacity retention of 93.4% after 200 cycles.

  Key words:Intercalation, Porous structure, Expansive degree, Rechargeable hybrid aqueous battery, Nonaqueous lithium ion battery

目 录

  第 1 章 绪论

  1.1 电池隔膜概述

  1.1.1 电池隔膜的作用机理

  隔膜是电池中除了正极、负极和电解质之外的又一重要组成部分,主要作用为隔绝正极和负极,避免接触引发短路;其次则是传输电解质离子。如图 1.1 示[1],充电过程中,锂离子从正极脱出流经电解液通过隔膜向负极移动并嵌入负极;放电过程中则相反。在充放电过程中,隔膜隔绝电子传输,自由传输离子电池内部与外部形成闭合回路;同时隔膜的存在增加离子传输的阻力,因此隔膜的结构和性能极大地影响了电池的性能。

  1.1.2 电池隔膜的主要性能

  隔膜本身不参与任何电池反应,但其存在阻碍参与电化学反应的离子移动因此隔膜存在一系列性能参数。

  1.1.2.1 化学稳定性

  浸湿电解液后的隔膜材料在电池中处于正极和负极之间,不能与这些组成材料发生反应,因此隔膜必需具有化学稳定性,特别是在电池充满电的强还原和氧化环境下。

  1.1.2.2 厚度隔膜的厚度影响

  电池的能量和功率密度,为满足高性能需要较低的厚度。厚 度均一的隔膜能完美契合电极表面,减少离子传输损耗。

  1.1.2.3 孔结构参数

  1. 孔隙度隔膜的孔隙度为隔膜体积中孔体积所占的百分数。隔膜的孔隙度决定能容纳电解液的含量。过高的孔隙度能储存大量的电解液,但隔膜易断。过低的孔隙度减少离子传输路径,导致离子电导率降低。隔膜的孔隙度不能低于 40%.孔隙度常用的测试方法是液体或气体吸收法。

  2. 孔径尺寸及分布隔膜的存在是为了避免两电极尤其是电极材料的传输而导致的接触,因此隔膜的孔径不应该大于电极材料的粒径。目前,亚微米孔径的隔膜已经被证明足以阻止电极材料颗粒的穿透,因为曲折的孔结构阻止颗粒的扩散。均匀分布的孔结构能使通过隔膜的电流大小均匀,同时与曲折的孔道共同抑制了树枝状结晶的生长。

  3. 透气性通常,隔膜的存在会使电池内部阻抗增加。浸泡电解液后的隔膜阻抗与电解液阻抗的比值称为 MacMullin 值。为了保证电池的安全性和延长其循环寿命,需要较低的 MacMullin 值。透气性可间接用于估算 MacMullin 值。透气性用 Gurley值表示,Gurley 值定义为在特定压力下,一定量的空气通过确定面积的隔膜所需的时间。当隔膜的孔隙度和厚度固定时,Gurley 值反映了孔结构的曲折度。Gurley值的变化会导致通过隔膜电流大小的变化,导致在负极上形成枝晶。

  1.1.2.4 机械强度

  隔膜的机械强度包含沿纵向方向(MD)和横向方向(TD)的拉伸强度和隔膜截面方向的穿刺强度。隔膜必须具有一定的拉伸强度以承受电池组装过程中的机械力,特别是在纵向方向的张力。锂离子电池隔膜的拉伸强度不小于 1000kg/cm2[1].穿刺强度是指某一针刺穿隔膜所需要的最大载荷,防止被电极材料颗粒刺穿。隔膜穿刺强度的下限为 300 g/25.4 μm[2].

  1.1.2.5 润湿性

  隔膜的润湿性表示为被电解液润湿的容易程度和吸收并保留电解液的持久性,可以减少电解液在电池组装过程中的损失并延长电池寿命。目前常用的测试方法为接触角测试和隔膜在电解液中浸湿高度测试两种方法,如图 1.2 所示[3].

  1.1.2.6 耐热性能

  1. 热收缩性当温度上升到软化温度时,由于隔膜材料的晶态和非晶态的密度不同,即使孔隙度很低,隔膜也有收缩的趋势。隔膜在高温下保持尺寸稳定,要求隔膜的热收缩不超过 5%,以避免电极之间的物理接触。

  2. 热闭合性在锂离子电池中,隔膜在低于热失控温度的情况下闭合隔膜的孔隙,以避免持续的化学反应产生热量导致热失控。隔膜的热失控温度在 130°C 左右,无孔隔膜完全隔离电极,电化学反应中断。

  1.1.2.7 离子电导率

  离子电导率是电池隔膜内阻的重要表征方式,呈负相关关系,离子电导率越大,则电池的电化学性能越好。商用的聚烯烃隔膜的离子电导率一般为 0.1 mS/cm隔膜电解液体系的离子电导率一般采用交流阻抗法来测定。

  1.1.3 电池隔膜的种类

  锂电池隔膜的类型根据组成和结构大体分为四类:聚烯烃隔膜、无纺布隔膜、无机颗粒隔膜和电解质隔膜。

  1.1.3.1 聚烯烃隔膜

  目前商用的锂离子电池隔膜为聚烯烃隔膜及其复合隔膜,如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和 PP/PE/PP.化学惰性的聚烯烃隔膜拥有适合的机械强度,同时材料来源广,价格便宜。由于聚烯烃隔膜表面没有极性基团和表面能低,导致其对电解液的润湿性差[4].较低的孔隙度伴随着低的电解液吸液率,导致电池工作时放热升温快。本身在高温下结构不稳定,存在安全隐患。聚烯烃隔膜分为湿法隔膜和干法隔膜。干法隔膜由机械外力加工而产生均一的扁平状孔结构,但在横向和纵向上的拉伸强度不一致。湿法隔膜需要有机溶剂萃取成孔,形成椭圆状且相互连通的孔结构,其孔径尺寸小且分布均匀,具有一定的曲折度。但对环境污染严重,而且制备工艺更加复杂。锂离子电池使用的微孔聚烯烃膜大多厚度在 50 μm 以下,平均孔径在 1 μm以下。商品化聚烯烃隔膜的厚度一般为 25 μm.厚度减小会导致机械强度降低,同时聚烯烃的耐温性能差,会增加安全隐患。聚烯烃材料一般为 PP 和 PE,PE的熔点为 130°C,PP 的熔点更高,为 165°C.单一成分的聚烯烃隔膜的安全性能较差,而三层 PP/PE/PP 隔膜能极大地提升热稳定性,其中 PE 能够提高隔膜的热闭合性能,PP 增加隔膜的机械强度。虽然三层聚烯烃隔膜的热稳定性有所提升,但提升幅度不大,因为电池内部升温速度极快,能在短时间内超过 PP 的熔点,此时隔膜已经收缩,不能阻止电化学反应。

  1.1.3.2 无纺布隔膜

  无纺布隔膜在铅酸电池中应用广泛,但在锂离子二次电池中的应用十分有限,近些年这方面是一个比较热门的研究方向。无纺布隔膜的成本低,孔隙度高,热稳定性和机械强度均良好。无纺布隔膜通常采用干铺法[5]、湿铺法[6]、熔融吹塑法[7]或静电纺丝法[8,9]生产。这些工艺采用物理、机械和化学方式将高分子化合物形成纤维再粘结成网,因而形成三维孔结构。由于无纺布隔膜的孔径尺寸大,会导致电极直接接触或枝晶沿孔径方向生长而发生短路,因此一般无法直接作为锂离子电池隔膜。目前市场上湿法制备的无纺布较多,而且大多为复合隔膜的基体材料。

  静电纺丝法是一种极具潜力的制备工艺,能够通过多因素控制无纺布形貌。静电纺丝制备的无纺布具有高孔隙度、较小的孔径尺寸、贯通的孔结构、大的比表面积等优点。离心纺丝是静电纺丝的衍生工艺,更加经济快捷,然而纤维直径达到 0.8-1.4 μm[10].静电纺丝结合其他工艺手段,可以综合提升无纺布隔膜的性能。通过静电纺丝将无机颗粒和有机高分子化合物制备无纺布,之后两者发生交 联反应使两者紧密结合,可以有效地抑制无机颗粒脱落,同时提高无纺布隔膜机械强度,进而提升无纺布隔膜的电化学性能[11,12].无纺布纤维直径目前没有明确的标准,但由于隔膜的厚度基本在 25 μm 左右,而且纤维层数不能太少,这样能尽可能的使隔膜形成发达的孔结构,提高其孔隙度。呈网状密集排列的纤维也能有效地降低孔径尺寸的大小,增加孔结构的曲折度,这有助于抑制枝晶的生成。无纺布隔膜最大的优势在于其极高的孔隙度,而 且孔结构具有可调控性,但优化难较高。无纺布纤维间没有有效的结合,机械强度会受到极大的影响。

  1.1.3.3 无机复合隔膜

  引入无机颗粒形成复合膜是提高电池隔膜理化性能的重要方法之一。无机复合隔膜是由无机颗粒通过有机高分子粘结剂涂覆在多孔基体上的复合隔膜。无机陶瓷颗粒如氧化铝(Al2O3)[13]、二氧化硅(SiO2)[14]、二氧化钛(TiO2)[15]、钛酸钡(BaTiO3)[16]和氢氧化镁(Mg(OH)2)[17]具有较大的比表面积和良好的亲水性,颗粒表面具有极性官能团和较高的比表面能,对于有机电解液具有优异的亲和性。无机复合隔膜中陶瓷颗粒镶嵌在粘结剂间或粘结在基体的表面,如图 1.3所示[18],陶瓷颗粒间的缝隙形成孔道以储存并传输离子。多孔结构基体分为两类:聚烯烃隔膜和无纺布隔膜。基体具有一定的孔结构,但聚烯烃隔膜具有较差的热稳定性和润湿性,陶瓷颗粒能有效地克服这些缺点;无纺布隔膜具有较大的孔尺寸,陶瓷颗粒正好填充在这些孔隙中,减小了孔尺寸。同时作为隔膜的骨架,能够提供良好的机械性能。

  无机复合隔膜采用聚合物为粘结剂,耐热性能相对于聚烯烃隔膜有较大的提升,但在高温下同样会熔化或分解,导致陶瓷颗粒脱落。基体材料本身所具有的机械强度在制备过程中受多种因素的影响会有所降低,这也是目前需要改善的地方。粘结剂对陶瓷颗粒和基体的匹配机制也会影响无机复合隔膜的性能[19].

  1.1.3.4 电解质隔膜

  电解质隔膜具有离子导电性,在电池中具有隔膜和电解质双重作用。电解质隔膜可以避免液体电解液泄露而导致的电池容量衰减和寿命缩短的问题。电解质隔膜分为固体聚合物电解质、凝胶聚合物电解质和复合电解质。固体聚合物电解质由锂盐和聚合物组成,包括锂超离子导体型(LISICON)、钠超离子导体(NASICON)和钙钛矿型等。固体聚合物电解质不含液体增塑剂,因此机械强度高,同时安全,电化学稳定性高。固体聚合物电解质的一个严重的缺陷是相对较低的离子电导率(一般在 10-4-0.1 mS/cm),因为聚合物的结晶区限制了离子的输运。固体聚合物电解质的机械强度高,隔膜较薄,但是柔性差,电解质表面与电极界面的相合性差,不利于电池的组装。相对于固体聚合物电解质,凝胶聚合物电解质多了一个组分-增塑剂,在添加电解液后呈凝胶状。

  电解液固定在凝胶聚合物电解质内部的微孔结构中,因此具有较高的离子电导率(0.1-1 mS/cm)。凝胶聚合物电解质同样具有宽的电化学窗口、高的热稳定性和良好的电极兼容性。隔膜在浸泡电解液过程中,吸收了大量的电解液,因此材质需要极佳的润湿性,然而吸收电解液后电解质会膨胀。常用的聚合物包括聚氧化乙烯(PEO)[20]、聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物(PVDF-HFP)[21,22]、聚丙烯腈(PAN)[23]和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)[24],具有较高的电化学窗口和一定的机械强度,作为隔膜的骨架存在。凝胶聚合物电解质的聚合物基体相对于固体聚合物电解质更为广泛。除了上述基体外,聚氯乙烯(PVC)[25]和磺化聚醚醚酮(SPEEK)/聚乙烯醇(PVA)共混物[26]均能作为隔膜基体。复合电解质的定义为在固体聚合物电解质或凝胶聚合物电解质中加入填充颗粒。填充颗粒可以有效地降低聚合物的玻璃转变温度,增加非晶相的含量,有助于提高离子电导率。填充颗粒如 Al2O3[27]、SiO2[28]、钛酸钡(BaTiO3)[29]和氢氧化铝(Al(OH)3)[30]等陶瓷颗粒改善电解质的离子电导率和界面性能。陶瓷颗粒与锂盐的阴离子结合,增加自由阳离子的数目,同时加快了阳离子的迁移速率。除此之外,硅酸盐如一维孔结构的沸石能提高离子的迁移速率[31].层状结构的蒙脱石(MMT)黏土能提供离子迁移的通道,在蒙脱石层间的聚合物分子的链段运动促进离子迁移[32].为了改善蒙脱石在聚合物中的分散性和提高复合电解质的离子电导率,对蒙脱石进行改性,其性能如表 1.1 所示。


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  1.2 颗粒涂覆隔膜改性研究
  1.2.1 金属氧化物涂覆隔膜研究现状
  1.2.2 有机涂覆隔膜研究现状
  1.2.3 硅酸盐矿物涂覆隔膜研究现状

  1.3 选题意义及研究内容
  1.3.1 选题意义
  1.3.2 研究内容

  第 2 章 实验原料、仪器及表征
  2.1 实验原料
  2.1.1 地开石
  2.1.2 实验药品
  2.2 实验仪器及设备

  2.3 测试与表征
  2.3.1 X 射线衍射分析(XRD)
  2.3.2 热重-差热分析(TG-DTA)
  2.3.3 傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)
  2.3.4 扫描电镜及能谱分析(SEM 和 EDS)

  2.3.5 透射电子显微镜(TEM)
  2.3.6 比表面积、孔径及密度分析
  2.3.7 粒度分析
  2.3.8 透气性测试
  2.3.9 孔隙度测试
  2.3.10 吸液率

  2.3.11 接触角
  2.3.12 热稳定性测试
  2.3.13 机械强度
  2.3.14 离子电导率和锂离子迁移数测试
  2.3.15 电化学性能测试

  第 3 章 地开石的结构改性
  3.1 实验部分
  3.1.1 地开石/硫脲插层复合物的制备
  3.1.2 地开石/尿素插层复合物的制备
  3.1.3 多孔地开石的制备

  3.2 地开石/硫脲插层复合物表征
  3.2.1 硫脲插层地开石方式的选择
  3.2.2 温度对 DMSO 插层地开石的影响
  3.2.3 反应时间对 DMSO 插层地开石的影响

  3.2.4 XRD 分析
  3.2.5 TG-DTA 分析
  3.2.6 FTIR 分析
  3.2.7 SEM 和 EDS 分析

  3.3 地开石/尿素插层复合物表征
  3.3.1 XRD 分析
  3.3.2 TG-DTA 分析
  3.3.3 FTIR 分析
  3.3.4 尿素与硫脲插层效果的比较

  3.4 氯酸钾与尿素质量比对地开石膨化过程的影响
  3.4.1 反应温度的确定
  3.4.2 XRD 分析
  3.4.3 TG-DTA 分析

  3.4.4 FTIR 分析
  3.4.5 形貌分析
  3.4.6 比表面积及密度分析
  3.5 本章小结

  第 4 章 多孔地开石涂覆型隔膜的结构与性能
  4.1 实验部分
  4.1.1 不同含量多孔地开石涂覆无纺布
  4.1.2 不同片层膨胀程度的多孔地开石涂覆无纺布

  4.2 多孔地开石涂覆隔膜在水系锂离子电池中的性能研究
  4.2.1 隔膜的形貌分析
  4.2.2 隔膜的涂层密度和透气性
  4.2.3 隔膜的孔隙度和吸液率
  4.2.4 隔膜的润湿性

  4.2.5 隔膜的离子电导率
  4.2.6 隔膜的热稳定性
  4.2.7 隔膜的机械强度
  4.2.8 隔膜的电化学性能

  4.3 孔调控地开石涂覆隔膜在有机锂离子电池中的性能研究
  4.3.1 隔膜的形貌分析
  4.3.2 隔膜的孔隙度和吸液率
  4.3.3 隔膜的接触角

  4.3.4 隔膜的热稳定性
  4.3.5 隔膜的离子电导率
  4.3.6 隔膜的电化学性能
  4.4 本章小结

第5章结论

  本文采用插层和化学反应将地开石片层膨胀,制备多孔结构的地开石,再以LA133为水性粘结剂,通过浸涂方式将多孔地开石涂覆在ES无纺布上制备复合隔膜。涂覆隔膜以调节地开石的孔结构达到改善隔膜的性能的目的,深入分析地开石多孔结构的调控机制,探索地开石对涂覆隔膜的孔结构、热稳定性、润湿性和对锂离子电池电化学性能的影响

  .实验结论如下:

  1.膨胀剂(尿素和硫脲)插层改性地开石,尿素以简单的机械热处理方式插层地开石,而硫脲需以有机分子多次替代插层。膨胀剂与地开石以氢键为结合键,对地开石结构产生不同的影响。尿素含量不同,与地开石的相互作用方式也存在转变,其转变范围在0.25:1和0.50:1(尿素:地开石质量比)之间。热重分析尿素插层复合物,相对于地开石的质量,地开石层间尿素的含量为0.0976±0.0053.

  2.尿素与氯酸钾的化学反应能够膨胀地开石的片层,地开石形成多孔结构。当尿素与氯酸钾的质量比为0.490时,产生大量气体且放热量为582.862kJ/mol通过尿素与氯酸钾的质量比调控地开石孔结构,在450°C温度下煅烧40wt%氯酸钾和质量比3/4的尿素/地开石插层复合物的混合物后,地开石片层狭缝孔尺寸达到0.212±0.118μm,同时密度由原土的0.913g/cm3减小至0.153g/cm3.当尿素含量继续增大时,地开石发生脱羟基作用,结构破坏严重,导致地开石片层的机械强度降低。

  3.多孔地开石(如DUC0.75)的含量直接影响涂覆隔膜的性质,随着DUC0.75含量增加至90wt%,隔膜孔隙度提高至67.1%,电解液吸液率增加至1.378g/cm3.高含量的DUC0.75涂覆隔膜在水系电解液中的离子电导率为13.12mS/cm,同时DUC0.75提高隔膜的热稳定性和对水系电解液的亲和性。在Zn/LiMn2O4水系锂离子电池中,高含量的DUC0.75涂覆隔膜能够有效地抑制LiMn2O4极化,改善电解液与电极界面的稳定性以及降低电荷传输阻抗。在低电流密度(0.2C)下,其组装的电池的放电比容量达到132.7mAh/g(1C=115mAh/g),接近LiMn2O的理论容量148mAh/g.同时能够在不同的电流密度下保持良好的稳定性,甚至在1C电流密度下放电比容量能达到119.6mAh/g,100次循环后的放电比容量保持率为87%,高于AGM组装的电池(82%)。

  4.片层膨胀程度不同的多孔地开石能够有效地调节涂覆隔膜的孔结构,其涂覆隔膜的孔隙度分别为43.6%(ESDUC0.25)、61.6%(ESDUC0.75)和56.0(ESDUC1.25)。涂覆隔膜的孔结构由颗粒间隙孔和多孔地开石的狭缝孔组成。涂覆隔膜对有机电解液也表现出亲和性,提高锂离子在有机电解液中的迁移能力,其锂离子迁移数为0.64(ESDUC0.75)。在Li/LiFePO4有机锂离子电池中,涂覆隔膜能有效地抑制LiFePO4极化,降低电极与电解液之间的界面阻抗,而且含有羟基官能团的ESDUC0.75的优化效果更显著。ESDUC0.75组装的电池具有优异的放电比容量和倍率性能,在0.5C电流密度下的循环稳定性良好,其最大放电比容量为152mAh/g,循环200圈后容量保存率为93.4%.

  参考文献

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