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LLZTO涂覆天丝无纺布锂离子电池隔膜的制备
幸楚粤;李尧;张奥捷;龙金;胡健
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2024(43)2
【摘要】针对锂离子电池用无纺布隔膜孔径分布不均的问题,采用原纤化天丝纤维制备湿法无纺布基材,结合氧化物固态电解质涂层,在收窄孔径尺寸及区间分布的同时,降低电池内阻,提升电化学性能。
固态电解质涂层搭配低转数无纺布隔膜会导致基材侧渗出大量陶瓷,但对于组装后电池循环及倍率测试无影响。
涂覆之后的无纺布隔膜(LC10)组装钴酸锂全电池循环后拥有较低的极化电压,且由于拥有较高的离子迁移数及更低的欧姆电阻和电荷转移电阻,其在3C高倍率循环下的容量保持率可达85.93%。
未涂覆固态电解质涂层的无纺布隔膜低温性能差于商品样,低温镀锂情况较商品样更加严重,而LC10低温下的初始比容量可达124.9 mAh/g,容量保留率为94.23%。
【总页数】9页(P146-153)
【作者】幸楚粤;李尧;张奥捷;龙金;胡健
【作者单位】华南理工大学轻工科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM912.9
【相关文献】
1.锂离子电池水性PVDF涂覆隔膜研究进展
2.锂离子电池用PVDF-HFP涂覆隔膜制备及性能研究
3.高耐热陶瓷涂覆锂离子电池隔膜研究进展
4.锂离子电池用聚烯烃隔膜涂覆的研究进展
5.血清前白蛋白与白蛋白测定在恶性肿瘤中的临床应用
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《中国造纸》2023年第42卷 第4期·纸基电池隔膜·Li/MnO 2一次电池用纸基隔膜的制备和性能研究李雅欣 李尧 龙金* 胡健（华南理工大学轻工科学与工程学院，广东广州，510640）摘要： 本研究以天丝纤维为原料，通过打浆获得原纤化天丝纤维，采用湿法成形技术制备了原纤化天丝隔膜并应用于Li/MnO 2一次电池，对比探讨了不同原纤化程度天丝纤维隔膜和熔喷无纺布隔膜的微观形貌、孔隙结构和电化学性能。
结果表明，原纤化程度的增加使隔膜表面细小纤维覆盖主干纤维，同时孔隙率从76.3%降到67.3%，Gurley 值从3.30 s 增加到10.1 s ，平均孔径从0.79 µm 降到0.35 µm ，电池欧姆阻抗R Ω从1.55 Ω增加到1.94 Ω，电池放电电压平台和比容量明显降低。
相比于熔喷无纺布隔膜，天丝隔膜厚度较小，平均孔径较小且孔径分布均匀，离子阻抗较低，放电性能稳定。
关键词：原纤化天丝纤维；隔膜；孔隙结构；电池性能中图分类号：TS767 文献标识码：A DOI ：10.11980/j.issn.0254-508X.2023.04.007Study on Preparation and Properties of Paper -based Separator for Li/MnO 2 Primary BatteryLI Yaxin LI Yao LONG Jin * HU Jian（School of Light Industry and Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou ，Guangdong Province ，510640）（*E -mail ：longjin@ ）Abstract ： In this study ， tencel fibers were used as raw materials to obtain fibrillated tencel fibers by pulping. By wet forming process ， the separators made by fibrillated tencel fibers were applied to Li/MnO 2 primary battery. The micromorphology ，pore structure ， and electrochem⁃ical properties of tencel separator with different fibrinization degrees and melt -blown non -woven fabric separator were investigated and com⁃pared. The results showed that the increase of fibrinization degree made the diaphragm surface fine fibers covering the backbone fibers.With the increase of fibrinization degree ， the porosity of the separator decreased from 76.3% to 67.3%， the Gurley value of the separator in⁃creased from 3.30 s to 10.1 s ， the average pore size of the separator decreased from 0.79 µm to 0.35 µm ， and the ohmic impedance of thebattery increased from 1.55 Ω to 1.94 Ω.Besides ， the battery discharge voltgae platform and specific capacity were reduced significantly.Compared with melt -blown non -woven separator ， tencel separator had smaller thickness ， smaller average pore size and uniform pore size dis⁃tribution ， lower ionic impedance and stable discharge performance.Key words ： fibrillated tencel fibers ； separator ； pore structure ； battery performance自20世纪80年代以来，非水Li/MnO 2体系因具有高能量密度、高功率、低成本、长寿命等优点，在军事、航空、航天和民用领域中得到广泛应用[1-2],Li/MnO 2一次电池作为锂系列一次电池中安全性最好、最早实现商业化的电池品种[3]，是21世纪绿色电源之一。
中国纺织工业联合会科学技术奖获奖项目选载（2022年度）高品质聚烯烃纤维湿法非织造布基碱性电池隔膜研究与产业化开发获奖等级：二等奖主要完成单位：河南科高辐射化工科技有限公司、河南新太行电源股份有限公司、中原工学院、河南科高新材料有限公司主要完成人：崔国士、赵红英、束兴娟、宋海峰、张恒、崔攀、杨忠祥、马翔、彭英杰、宋红岩碱性电池绿色安全、比功率高，在国计民生、军工配套等方面起着至关重要的作用。
隔膜是电池的关键材料，但国内碱性电池隔膜相对落后，严重制约着国内碱性电池产业的发展。
项目以超细聚烯烃纤维为原料，采用湿法抄造技术制备高均匀度湿法非织布，进一步以湿法非织造布或其与聚丙烯微孔膜的热复合制品为隔膜基布，通过电子束预辐射接枝共聚丙烯酸、苯乙烯磺酸钠、马来酸酐等制备碱性电池隔膜。
具体包括：（1）创新开发了高均匀度（克重误差≤±5%）聚烯烃纤维湿法非织造布制造新装备与技术，包括短切丝束“湿法高速剪切分散”疏解技术与装备，制浆第三助剂“烷基聚醚磷酸酯盐润湿剂”，新结构流浆箱、成型器，“隧道式烘箱-单热缸联用”烘干定型新模式。
（2）发明了多孔膜材料动态电子束预辐射接枝新技术装备，解决了多孔膜材料辐射接枝改性的宏观一致性和微观均匀性技术难题。
（3）发明了碱性电池隔膜系列新产品。
包括：羧基、磺基双元接枝改性容量型镍氢电池隔膜、短接枝链大透气功率型镍氢电池隔膜和长接枝链、大接枝量高温型镍氢电池隔膜；抗枝晶、强隔离非织布/微孔膜双层复合碱性电池隔膜，解决了镍锌电池和二次碱锰电池因氧化锌枝晶穿透隔膜造成短路和镍铁电池因气体渗透导致的电极材料利用率低等技术难题；微透气三层复合碱性电池隔膜，专用于大型排气式方形碱性蓄电池，赋予电池少维护功能、宽温域适应性和超高倍率放电性能。
基于该型隔膜开发了GNC和DMH系列电池20余个型号。
项目获授权发明专利8项，项目电池隔膜产品已应用于国内百余家电池生产企业，GNC和DMH 系列电池产品已广泛应用国内和谐号、复兴号、城轨地铁等交通领域。
原纤化天丝纤维纸基复合材料的制备及其电气性能的研究戴嘉诚;王宜;胡健【摘要】天丝纤维作为一种可再生纤维,具有多重原纤结构的特点,通过原纤化处理制备的微纳米级别的天丝纤维可广泛应用于超级电容器、电池隔膜等材料领域.本文选取高度原纤化的天丝纤维,探讨了天丝纤维纸基复合材料结构对其介电常数及击穿电压的影响规律.结果表明,天丝纤维纸基复合材料的相对介电常数实测值与按照体积比经验理论公式模拟计算值有较好对应性;采用具有微纳米直径的天丝纤维制备的定量40 g/m2的电解电容器纸,压光后介电强度可达到18.27 kV/mm;参考复合介质串联电容模型,可根据单层纸参数计算双层天丝纤维纸基复合材料的击穿电压,从而指导双层电容器隔膜的结构配方设计.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2019(050)004【总页数】5页(P4160-4163,4169)【关键词】天丝纤维;原纤化;电解电容器纸;电气性能;复合材料【作者】戴嘉诚;王宜;胡健【作者单位】华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州 510640;华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州 510640;广东省过滤与湿法无纺复合材料工程技术研究中心,广州 510640;华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州510640;广东省过滤与湿法无纺复合材料工程技术研究中心,广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TS1020 引言随着电解电容器产业的迅速发展，对于电解电容器隔膜材料的技术要求越来越高，单层中高压电解电容器纸存在的导电金属粒子、针孔等缺陷及等效串联电阻ESR 值高，损耗值大，吸液性能较差，卷绕的电容器芯子浸泡电解液时间长等问题，已不能满足应用领域不断拓展的中高压电解电容器[1]。
具有纳米结构的纤维原料制备的纸基复合材料，可有效解决ESR和击穿强度的矛盾，进而开发出满足不同性能要求的双层及多层复合的耐高压电解电容器隔膜材料，如NKK公司的PED、PEDH系列，凯恩公司的WS2、WM2系列等[2]。
作者简介:张文娜,硕士研究生;主要研究方向:高性能纸基复合材料。
＊基金项目:国家863计划项目(2006A A 11A 163)天丝对碱锰电池隔膜结构性能的影响＊张文娜 王 宜 梁 云 王习文 胡 健 蒋健美(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州510640)摘 要:通过V a l l e y 打浆机制备不同打浆度的原纤化天丝纤维,与合成纤维、植物纤维混合抄造碱锰电池隔膜纸,研究了天丝打浆度、加入量对碱锰电池隔膜纸的孔径结构、吸液保液及强度性能的影响,并与不含天丝纤维的隔膜纸的孔径分布进行了对比。
结果表明,经打浆处理的天丝纤维得到充分原纤化,分丝帚化较好,能形成几十至几百纳米直径的超细纤维;天丝纤维的加入及其较高的打浆度有利于提高纸张的抗张强度和减小纸张孔径,但加入量过多,打浆度过高不利于提高纸张的吸碱率和吸碱速度;较佳的天丝纤维添加工艺为打浆度35～45°S R 、添加量10%～15%。
关键词:天丝;碱性电池;隔膜纸;孔径中图分类号:T S 761.2 文献标识码:A 文章编号:1671-4571(2010)01-0023-04 隔膜是电池的重要原材料,其性能直接影响到电池的容量、放电性能和使用寿命等关键指标。
碱性电池隔膜纸必须是离子的良导体和电子的绝缘体,即要求耐碱性好、吸碱速率快、吸碱率高、孔隙率大、机械强度好。
由于电池的无汞化,在活性材料的负极中会出现腐蚀。
这将导致所谓“枝晶”的导电晶体氧化锌化合物沉淀,在活性材料的两个电极之间引起电接触,造成内部短路,从而极大地降低电池的容量。
为防止氧化锌枝晶沉积引起的短路,需要比原有隔膜纸具有更小孔径的隔膜纸。
另一方面,由于各种数字仪器的应用,要求电池的输出功率增加,也就是说电池应具有良好的大电流放电性能。
由此选用的隔膜纸的孔径结构须适当,保证隔膜纸具有优异的离子导通能力。
为了满足上述性能要求,人们已经开展了各种实验研究。
在日本可乐丽公司的U S 5366832、J P 2004-103459、J P 2006-236808等专利文献中都曾提到在隔膜纸中加入经打浆原纤化的溶剂纺丝纤维素纤维来控制隔膜的孔径结构,使隔膜纸具有优良的隔离、吸液、保液及强度性能[1-3]。
新型非织造材料在电池隔膜中的应用唐 健 刘 杰 安 峰 (东华大学纺织学院,上海,200051)摘 要:随着电池产品在不同领域中日益广泛的应用,对生产电池的原材料的要求也越来越严格。
新型电池隔膜材料的发展引起了电池生产厂商的高度重视,隔膜被称为电池的“第三电极”。
本文通过对隔膜产品的结构、性能描述,结合目前国内状况介绍了几种新型非织造电池隔膜材料。
关键词:非织造布,应用,电池,隔膜中图分类号:TS17615 文献标识码:A 文章编号:1004-7093(2002)08-0032-041 国内外现状从1800年意大利科学家伏打(Volta)教授发明伏打电池至今,电池已有200年的历史了,在这两个世纪的电池发展过程中出现了数十种不同的电池,主要有铅酸蓄电池、铁镍蓄电池、镉镍蓄电池、锌锰电池、锌银电池、锌汞电池等。
电池的高速发展是在上世纪50年代以后,由于科技的进步和生活水平的提高,推动着各种电池的改进和新电池的产生,特别是电子、通讯、航天、汽车等工业的发展,要求体积小、质量轻、高能量、高功率、无污染、长寿命的电池日益迫切,从而促进新的电池品种不断出现。
上世纪50年代至90年代依次有碱性锌锰电池、燃料电池、各种锂电池、氢镍蓄电池以及锂离子二次电池问世并投入使用,这些电池比过去的电池性能更加优越、使用寿命更长。
进入21世纪,经济与社会可持续发展已成为永恒的主题,电池工业将面临着新的机遇与挑战。
燃料电池(FC)和太阳能电池,光伏发电(PV)技术,即用太阳能电池将光能直接变成电能的技术收稿日期:2002-05-29作者简介:唐健,男,1979年生,纺织品设计专业学生。
被认为是21世纪最有希望推广应用的可再生能源利用技术。
可以预料,电池工业的发展必将随着科技的加速进步和新材料的应用而得到更快的发展。
改革开放以来,中国电池工业有了飞速的发展,1990年我国电池产量64亿只,1995年为105亿只,1998年140亿只,2000年达到170亿只,占世界总产量的40%,我国是世界第一大电池生产国。
摘要隔膜是锂离子电池的重要组成部分之一，具有隔绝正负极片防止短路和提供锂离子传输通道的作用。
提高电池安全性能和降低隔膜尘产成本是未来锂离子电池研究的主要目标之～，在本论文中，高安全性和低成本的生物质材料纤维素被用来制备锂离子电池隔膜。
主要研究工作包括以下几方面：（１）用ＰＦＩ磨浆机和超细摩擦研磨机分别将麻浆粕、棉浆粕、木浆粕进行磨浆处理，观察不同磨浆条件下纤维素纤维的帚化与分纤情况，选取适宜的浆粕和探索最佳的打浆分纤技术。
结果表明将麻浆粕经ＰＦＩ磨浆机磨浆２力．转以后，再经过超细摩擦研磨机研磨的微纤化纤维，适合通过抄纸工艺大规模制造纤维素基复合隔膜。
（２）将天然纤维素纤维和芳砜纶纤维按照不同比例混合，构建微米、纳米多级结构的高性能锂离子电池复合隔膜，并测试其浸润性、热稳定性、机械性能和电化学性能。
结果表明在纤维素和芳砜纶质量比为３：１的情况下，制备的纤维素／芳砜纶复合隔膜的综合性能最好，而且采用纤维素／芳砜纶复合隔膜组装的磷酸铁锂半电池在１２０℃下仍然表现出了优异的电化学性能。
（３）为了解决纤维素隔膜强度低和孔径大的问题，采用生物质材料多巴胺对纤维素进行表面包覆。
由于多巴胺在ｐＨ＝８．５的缓冲溶液中可以在纤维素表面自组装成具有粘附性的聚多巴胺，聚多巴胺包覆层使纤维素隔膜具有致密的多孔结构和高的机械强度，有利于提高电池的安全性，并缓解电池的白放电。
同时多巴胺包覆层使电极、电解液和隔膜之问的接触更加紧密，有利于提高电池的电化学性能。
关键词：纤维素；多巴胺；复合隔膜；锂离子电池ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｌｉｔｈｉｕｍ·ｉｏｎｂａｕｅｒｙ，ｔｈｅｓｅｐａｒａｔｏｒｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｉｎｓｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｃａｔｈｏｄｅａｎｄａｎｏｄｅｔｏａｖｏｉｄｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｓａｎｄａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｉｎｇｍｉｃｒｏｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｒａｐｉｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｏｆｔｈｅｉｏｎｃａｒｒｉｅｒｓ．Ｗｈａｔ’Ｓｍｏｒｅ．ｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓａｆｅｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｌｏｗ··ｃｏｓｔｏｆｌｉｔｈｉｕｍ··ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｓｅｐａｒａｔｏｒｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｇｏａｌｓｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｗｅｄｅｖｏｔｅｔｏｅｘｐｌｏｒｉｎｇｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍａｓｓｃｅｌｌｕｌｏｓｅｉｎｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎｂａｋｅｒｙｓｅｐａｒａｔｏｒ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｉｓｄｅｐｉｃｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：（１）Ｈｅｍｐｐｕｌｐ，ｃｏｔｔｏｎｐｕｌｐａｎｄｗｏｏｄｐｕｌｐｗｅｒｅｇｒｏｕｎｄｂｙＰＦＩｐｕｌｐｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｎｄｕｌｔｒａｆｉｎｅｇｒｉｎｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｕｌｐａｎｄｂｅａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｆｉｂｅｒｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｅｌｌｕｌｏｓｅｐｕｌｐ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｈｅｍｐｐｕｌｐｗａｓｔｈｅｂｅｓｔｍａｔｅｒｉａｌｔｏｆａｂｒｉｃｍｅｃｅｌｌｕｌｏｓｅｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｐａｒａｔｏｒｂｙｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｌａｒｇｅｓｃａｌｅ．（２）Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｐｕｌｐａｎｄｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎａｍｉｄｅｐｕｌｐｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｓｓｒａｔｉｏｗｅｒｅｅｘｐｌｏｒｅｄｔｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｐａｒａｔｏｒｂｙｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｐａｒａｔｏｒｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ，ｈｅａｔｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｔｗａｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｃｅｌｌｕｌｏｓｅｐｕｌｐａｎｄｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎａｍｉｄｅｐｕｌｐｗｉｔｈｔｈｅｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆ３／１（ｗ／ｗ）ｏｂｓｅｓｓｅｄｔｈｅｂｅｓｔｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｗｈａｔ’Ｓｍｏｒｅ．ｔｈｅｌｉｔｈｉｕｍｉｒｏｎｐｈｏｓｐｈａｔｅ／ｌｉｔｈｉｕｍｈａｌｆｃｅｌｌｕｓｉｎｇｃｅｌｌｕｌｏｓｅ／ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎａｍｉｄｅｓｅｐａｒａｔｏｒｓｔｉｌｌｅｘｈｉｂｉｔｅｄｓｔａｂｌｅｃｈａｒｇｅ．ｄｉｓｃｈａｒｇｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｅｖｅｎａｔ１２０ｏＣ．（３）Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｓｅｐａｒａｔｏｒｓｔｉｌｌｈａｓｓｏｍｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ，ｓｕｃｈａｓｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄｐｏｒｅｓａｎｄｔｏｗｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔａｃｋｌｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｂｉｏｍａｓｓｄｏｐａｍｉｎｅｗａｓｍｏｔｉｖａｔｅｄｔｏｂｉｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｅｌｌｕｌｏｓｅ．Ｄｏｐａｍｉｎｅｃｏｕｌｄｓｅｌｆ－ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅｄｔｏｐｏｌｙｄｏｐａｍｉｎｅａｔｐＨ８．５，ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｐｏｌｙｄｏｐａｍｉｎｅｃｏａｔｉｎｇｌａｙｅｒｅｎｄｏｗｅｄｃｅｌｌｕｌｏｓｅｗｉｔｈｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆａｄｈｅｓｉｏｎｗｈｉｃｈｗａｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓａｆｅｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｓｕｐｅｒｉｏｒｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙａｍｏｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅａｎｄｓｅｐａｒａｔｏｒｗａｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂａｔｔｅｒｉｅｓＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；Ｄｏｐａｍｉｎｅ；Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｅｐａｒａｔｏｒ；Ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ第一章绪论１．１引言锂离子电池是一种高能环保电池，近年来受到广泛关注，具有工作电压高、比能量大、循环寿命长和可快速充放电等诸多优点，已经被广泛应用于手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子产品ＩＩ－￥！。
《成分调控与结构优化对Cu2ZnSn（S,Se）4薄膜太阳能电池性能的影响》篇一摘要随着新能源领域的发展，Cu2ZnSn（S,Se）4薄膜太阳能电池作为一种新兴的光伏技术，备受科研人员关注。
本文探讨了成分调控与结构优化对该类太阳能电池性能的影响，重点分析其物理特性及光电性能的提升，旨在为进一步提高太阳能电池的效率与稳定性提供理论支持和实践指导。
一、引言Cu2ZnSn（S,Se）4薄膜太阳能电池以其高效、低成本、环境友好等优势，在光伏领域展现出巨大的应用潜力。
通过成分调控和结构优化，可以有效提高电池的光电转换效率和稳定性。
本文将详细分析这两方面对太阳能电池性能的影响。
二、成分调控1. 硫硒比例调整硫硒（S,Se）的比例是影响Cu2ZnSn（S,Se）4薄膜太阳能电池性能的关键因素之一。
通过调整硫硒的比例，可以改变薄膜的能带结构、光吸收性能以及载流子传输特性。
适量的硒（Se）替代硫（S）可以增强光吸收能力，提高短路电流密度，从而提高电池的光电转换效率。
2. 元素掺杂通过引入其他元素进行掺杂，可以进一步优化Cu2ZnSn （S,Se）4薄膜的物理和化学性质。
例如，微量的钾（K）元素掺杂可以提高载流子的迁移率，降低载流子复合损失，从而提高电池的效率。
三、结构优化1. 薄膜生长工艺合理的薄膜生长工艺是获得高质量Cu2ZnSn（S,Se）4薄膜的关键。
通过控制生长温度、速率以及气氛等参数，可以获得结晶度高、缺陷少的薄膜，从而提高电池的效率和稳定性。
2. 电池结构设计优化电池的结构设计也是提高性能的重要手段。
例如，采用多层结构可以增加光吸收，提高光子的利用率；而合理的电极设计则有助于降低电极与薄膜之间的接触电阻，提高电流收集效率。
四、实验结果与讨论通过实验数据对比分析，我们发现成分调控与结构优化均对Cu2ZnSn（S,Se）4薄膜太阳能电池的性能产生了显著影响。
合理的硫硒比例调整和元素掺杂可以显著提高光吸收能力和载流子传输性能，从而提高光电转换效率。
作者简介:张文娜,硕士研究生;主要研究方向:高性能纸基复合材料。
＊基金项目:国家863计划项目(2006A A 11A 163)天丝对碱锰电池隔膜结构性能的影响＊张文娜 王 宜 梁 云 王习文 胡 健 蒋健美(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州510640)摘 要:通过V a l l e y 打浆机制备不同打浆度的原纤化天丝纤维,与合成纤维、植物纤维混合抄造碱锰电池隔膜纸,研究了天丝打浆度、加入量对碱锰电池隔膜纸的孔径结构、吸液保液及强度性能的影响,并与不含天丝纤维的隔膜纸的孔径分布进行了对比。
结果表明,经打浆处理的天丝纤维得到充分原纤化,分丝帚化较好,能形成几十至几百纳米直径的超细纤维;天丝纤维的加入及其较高的打浆度有利于提高纸张的抗张强度和减小纸张孔径,但加入量过多,打浆度过高不利于提高纸张的吸碱率和吸碱速度;较佳的天丝纤维添加工艺为打浆度35～45°S R 、添加量10%～15%。
关键词:天丝;碱性电池;隔膜纸;孔径中图分类号:T S 761.2 文献标识码:A 文章编号:1671-4571(2010)01-0023-04 隔膜是电池的重要原材料,其性能直接影响到电池的容量、放电性能和使用寿命等关键指标。
碱性电池隔膜纸必须是离子的良导体和电子的绝缘体,即要求耐碱性好、吸碱速率快、吸碱率高、孔隙率大、机械强度好。
由于电池的无汞化,在活性材料的负极中会出现腐蚀。
这将导致所谓“枝晶”的导电晶体氧化锌化合物沉淀,在活性材料的两个电极之间引起电接触,造成内部短路,从而极大地降低电池的容量。
为防止氧化锌枝晶沉积引起的短路,需要比原有隔膜纸具有更小孔径的隔膜纸。
另一方面,由于各种数字仪器的应用,要求电池的输出功率增加,也就是说电池应具有良好的大电流放电性能。
由此选用的隔膜纸的孔径结构须适当,保证隔膜纸具有优异的离子导通能力。
为了满足上述性能要求,人们已经开展了各种实验研究。
在日本可乐丽公司的U S 5366832、J P 2004-103459、J P 2006-236808等专利文献中都曾提到在隔膜纸中加入经打浆原纤化的溶剂纺丝纤维素纤维来控制隔膜的孔径结构,使隔膜纸具有优良的隔离、吸液、保液及强度性能[1-3]。
天丝纤维是一种典型的绿色环保溶剂型纤维素纤维,具有皮芯结构,芯层主要由巨原纤高度平行排列组成,中间夹有无定形区[4]。
天丝纤维存在很多优点,如吸湿透气性好、热稳定性好、湿强及尺寸稳定性都较高,同时天丝纤维是所有纤维素纤维中最易原纤化的纤维,通过机械打浆处理很容易使天丝纤维产生丰富的原纤化结构,利用原纤化结构,可以制备透气度大、孔径小且孔隙均匀的纸张,如高精度滤材、电池隔膜等。
本实验就是通过配加原纤化的天丝纤维,抄造隔膜纸,研究天丝的打浆度与加入量对隔膜纸性能的影响。
1 实验1.1 原料实验所用的纤维有:主体P V A 纤维(K u r a r a y ,0.55d t e x ,3m m );天丝(L e n z i n g ,1.7d t e x ,4m m );水溶P V A 纤维(K u r a r a y ,1.17d t e x ,4m m )1.2 仪器V a l l e y 打浆机(国产);Z J G-100A 打浆度仪;G B J -A 型纤维标准疏解器(长春产);M e s s m e r 标准纸页压榨器;N o r a m 纸页干燥仪(加拿大产);J -D H Y 03A 电动厚度测定仪(国产);L ＆W 抗张强度测定仪(瑞典制造);C F P -1100-A 毛管流动孔隙仪(美国P M I );L E O 1530V P 扫描电镜(德国L E O 公司)。
1.3 实验方法1.3.1 天丝打浆将一定量天丝纤维以1%浓度用V a l l e y 打浆机加重托打浆4h 。
打浆过程中,每间隔半小时取样并23《造纸科学与技术》 2010年第29卷第1期测其打浆度,采用此不同打浆度的浆研究天丝对电池隔膜纸性能的影响。
1.3.2 纸样的制备将纤维原料按一定配比混合均匀,抄造定量40 g/m2的纸张,并进行各项性能检测。
1.4 性能测试(1)纸张物理性能按国家有关标准进行测定[5]。
(2)吸碱率的测定:按S J/T10171.7-1991标准,切取一定质量的隔膜纸,称量记为G1,将隔膜纸浸入40%分析纯氢氧化钾溶液中4h后,用镊子夹持试样一角从碱液中取出悬空(30±2)s,滴去碱液,称量记为G2。
按公式计算吸碱率:A(%)=(G2 -G1)/G1×100%。
(3)碱溶出率的测定:按S J/T10171.6-1991标准,切取一定质量的隔膜纸,称量记为W1,将隔膜纸浸入40%(质量分数)的K O H溶液中,并且让K O H溶液用水浴保持在85℃的条件下,4h后取出,用蒸馏水洗涤直到除去纸张上所有的碱液后放入100～105℃烘箱中烘2h,取出后放入干燥器中冷却30m i n,然后称重至恒重记为是W2。
按照公式计算碱溶出率:E(%)=(W1-W2)/W1×100%。
(4)吸碱速率的测定:按G B/T461.1-2002标准,切取15m m×250m m的隔膜纸夹在试样夹上,下端垂直浸入40%分析纯K O H溶液中,记录10 m i n后溶液上升的高度,以此来表征隔膜纸的吸碱速率。
(5)孔径大小的测定:采用美国P M I毛管流动孔隙仪,将一个完全为润湿液饱和的样品置于样品室内,然后气体从样品前面流向样品室,用计算机控制气体压力,使之缓慢增加,直到它完全足以克服最大孔径对液体的毛管作用,这就是所谓的泡点压力。
当压力进一步以小的增量增加时,形成可测量的气体流动,直到能流动的液体被排空为止,用干样品也会产生流速对压力的数据,并且将其进行实时的储存和显示,计算机计算所有的孔隙参数,流动孔隙仪的基本关系是基于:D=4γc o sθ/p式中:D—孔隙直径;γ—液体的表面张力;θ—接触角;p—压差。
(6)用扫描电镜(S E M)观测表面形貌。
2 结果与讨论2.1 打浆对天丝纤维形态结构的影响表1为不同打浆度天丝浆料的纤维长度。
由表1和图1可以看出,打浆度越高,纤维平均长度越短,天丝原纤从主干中逐渐分丝,截面呈圆形,直径从几十纳米至几百纳米之间,具有很大的长径比。
因为随着打浆度的逐渐增大,纤维切断得越多,纤维的主体纤维分丝帚化越多,细小纤维也越多。
表1 不同打浆度天丝浆料的纤维长度打浆度/°S R平均长度/m m202.52302.48401.65561.53图1 不同打浆度天丝纤维的S E M图24P a p e r S c i e n c e＆T e c h n o l o g y 2010V o l.29N o.12.2 天丝对隔膜纸孔径的影响图2给出了打浆度为56°S R 的天丝,加入量对隔膜纸孔径的影响。
图3给出了天丝加入量为10%条件下,打浆度与隔膜纸孔径的关系。
由图2、3可以清楚的看到含有10%的天丝纤维的隔膜纸,其最大孔径随着天丝打浆度的提高而降低,当天丝打浆度为56°S R 时,最大孔径可减小至47.2μm ;含有56°S R 的天丝的隔膜纸,其最大孔径随着天丝加入量的提高而降低,当天丝加入量增大到30%时,最大孔径可减小至36.9μm 。
由图1中的纤维电镜图可以看出随着打浆度的提高,纤维分丝帚化增多,细小纤维增多,那么纸张的孔径就会越小。
2.3 天丝对隔膜的吸碱速率、吸碱率的影响图4给出了打浆度为56°S R 的天丝,加入量对隔膜纸吸碱率、吸碱速度的影响。
由图4可知随着天丝加入量的增多,隔膜纸的吸碱率、吸碱速度先升高而后降低,即当天丝加入量小于5%时,吸碱率、吸碱速度随加入量增多而升高,大于5%时随加入量的增加而降低。
图5给出了天丝加入量为10%条件下,打浆度与隔膜纸吸碱率、吸碱速度的关系。
由图5可知随着加入天丝的打浆度的提高,隔膜纸吸碱率、吸碱速度均逐渐降低;而纸张的吸碱率与原料本身特性、纸张紧度、孔径结构等因素有关,纸页吸碱量包括原料纤维本身对碱液的吸收量和纸页的孔径对碱液的吸收量,但后者是纸页吸碱量的主要来源。
随着打浆度的升高,纤维分丝帚化越多,细小纤维也越多,纤维分丝帚化越多纤维暴露出来的亲水羟基越多,纤维本身吸收碱液的量也越大,但因细小纤维造成纸页的孔径、孔隙率的减小使纸页孔径对碱液的吸收量减小,而前者的增加量远远小于后者的减小量,所以纸页的吸碱量呈逐渐减小趋势。
虽然原纤化天丝纤维的加入会使纸页的孔径变小,但当加入量很少时有利于改善纸页孔径分布提高纸页的吸液保液能力,但随着加入量的继续升高,纸页结构更为紧密,孔径减小,孔隙率也变小,纸页能吸收的溶液量也就变小,吸碱速度也随着孔径的减小而减慢。
2.4 天丝对隔膜纸抗张强度的影响图6给出了打浆度为56°S R 的天丝加入量对隔膜纸抗张指数的影响。
图7给出了天丝加入量10%的条件下,打浆度与隔膜纸抗张指数的关系。
由图6、7可知隔膜纸的抗张指数随着天丝纤维打浆度及加入量的增加而逐渐升高。
经过打浆的天丝细25《造纸科学与技术》 2010年第29卷第1期小纤维增多,纤维通过打浆被分丝变成超细纤维而且极易与其他纤维相互缠绕形成致密结构,从而提高了隔膜纸的强度。
2.5 两种隔膜纸孔径分布的对比纸页孔径结构包括纸页的最大孔径、平均孔径、孔径分布及空隙率等,碱锰电池隔膜纸具有吸碱率和吸碱速度也主要是因为纸页有孔径结构。
图8、9为两种隔膜纸的孔径分布对比;图10、11为两种隔膜纸的S E M 图对比。
图8 隔膜纸A 的孔径分布 对于所测的两种纸页而言,孔径分布各有差异。
图8显示隔膜纸的最大孔径为54.16μm ,平均孔径可达22.03μm ,而且纸页的孔径基本呈正态分布,即较大的孔径和较小的孔径分布较少,中间部分孔径所占比例较多。
图9显示隔膜纸的最大孔径为37.41,较隔膜A 减小了30.9%;平均孔径减小到8.58μm ,较隔膜A 减小了61%,且纸页的孔径呈左偏不对称分布,较小孔径比重较大,即天丝的加入使隔膜纸小孔径化。
对比图10、11也可以看出天丝的加入可以使纸页的孔径变小。
3 结论3.1 打浆后的天丝得到充分原纤化,截面呈圆形,直径可达到几十至几百纳米之间,具有很大的长径比。
(下转第66页)26P a p e r S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y 2010V o l .29N o .1A b s t r a c t:An e ws t r a i nw a s i s o l a t e df r o m21s a m p l e s t h a t c o l l e c t e df r o m t h es u b t r o p i c a l b r o a d-l e a v e df o r e s t i n G u a n g z h o u,G u a n g d o n g P r o v i n c e.I t w a s f o u n d t h a t t h e s t r a i n c a n p r o d u c e l a c c a s e a n d d e c o l o r i s e m e t h y l e n e b l u e. T h e m o r p h o l o g y o f c o l o n y,p h y s i o l o g i c a l a n db i o c h e m i c a l p r o p e r t i e s w e r e s t u d i e d.T h e P D Am e d i u m p l a t e s w e r e f l e e t l y c o v e r e d b y X y l h c o l o n i e s o n t h e t h i r d d a y w i t h t h e b e a r i n g o f g r e e n s p o r e s.T h e u l t r a-s t r u c t u r e o f X y l h m y c e-l i u ma n d s p o r e s w a s c h a r a c t e r i z e d b y A t o m i c F o r c e M i c r o s c o p y.T h e s u r f a c e o f m y c e l i u mw a s s m o o t h a n d p r e s e n t i n g s o m e r i l l s,w h i l e t h e d o r m a n t s p o r e s w a s r o u g h a n d c o v e r e d w i t h m a n y s m a l l p r o t u b e r a n c e s l i k e d r u s e n s.C o n t r a s t t o t h e g e r m i n a t i n g s p o r e(d i a m e t e r o f5.0～6.0μm),t h e d o r m a n t s p o r e w a s m u c h s m a l l e r(d i a m e t e r o f3.0～3.5μm).T h e i n t e r e s t i n g p o i n t i s t h a t X y l h c a n g r o wo n a m e d i u mc o n t a i n i n g k r a f t l i g n i n o r b a g a s s e w i t h o u t o t h e rc a r b o n r e s o u r c e s.T h e p e a k l a c c a s e a c t i v i t y o f50I U/L a p p e a r e do nt h e32hd u r i n g t he l i q u i df e r m e n t a t i o n.W i t h t h e i d e n t i f i c a t i o n o f18S r D N A,t h e s t r a i n o f X y l h w a s c l a s s i f i e d a s a T r i c h o d e r m a a t r o v i r i d e.K e y w o r d s:T r i c h o d e r m a a t r o v i r i d e;l a c c a s e;s c r e e n i n g;d y e d e c o l o r a t i o n;m o r p h o l o g y(上接第26页)3.2 天丝的加入以及较高的打浆度有利于提高纸页的抗张强度和减小纸页的孔径,但天丝加入量过多、打浆度过高不利于纸页的吸碱率和吸碱速度。
