粘接劑與隔膜力學行為對鋰離子電池失效及安全影響機理.pdf

1、由于具有極佳的比容量，鋰離子電池廣泛地應用于便攜式電子產(chǎn)品、綠色可替代能源儲能及電動車等領域。尤其是電動車應用，它要求鋰離子電池能夠有更高的能量及功率密度、更長的循環(huán)及擱置壽命以及更具安全可靠性。為滿足這些性能要求，學術(shù)及產(chǎn)業(yè)界針對鋰離子電池中的電化學活性材料，如正負極活性材料及電解液，開展了大量的研究。相比，作為電池中電化學惰性材料的粘接劑和隔膜卻受到極少的關(guān)注。實際上，它們對電池性能以及安全性的影響不容忽視：倘若電極顆粒間以及電極復

2、合膜和集流體間的粘接強度不足以承受充放電循環(huán)，那么電池即會發(fā)生失效；對于絕緣隔離正負極片的多孔隔膜，一旦其發(fā)生變形、斷裂或者擊穿，將直接影響電池的性能及安全性。因此，本文通過從力學角度研究粘接劑和隔膜可能發(fā)生的力學行為，找到這兩類材料導致鋰離子電池發(fā)生失效及出現(xiàn)安全性問題的力學作用機理。
　　本文首先分析了粘接劑在保持鋰離子電池電極力學完整性方面所發(fā)揮的作用機制?；趯κУ匿囯x子電池負極片形態(tài)完整性的分析，將粘接劑粘接強度細分為

3、微觀的電極活性材料顆粒間的粘接強度以及宏觀的電極復合膜與集流體間的結(jié)合強度，并針對上述宏-微觀兩類粘接強度提出了基于微刻劃的綜合評價方法與手段。應用該綜合評價方法、原位拉伸/光學顯微成像以及數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）分析技術(shù)對不同聚偏氟乙烯（PVDF）粘接劑含量的負電極片開展了實驗研究。由粘接劑含量與微刻劃中得到的摩擦系數(shù)及臨界正壓力之間的依賴關(guān)系揭示了粘接劑與其自身、顆粒（C）以及集流體（Cu）界面間的粘接強度大小順序：Cu/PVDF

4、/PVDF　　其次分析了隔膜在外力作用下的變形行為對鋰離子電池失效的影響。分析了隔膜在電池充放電以及擱置過程中的受力狀態(tài)，并基于該分析推導并應用了Carroll-Holt模型計算壓縮應力與隔膜微孔間的演化關(guān)系，設計完成了隔膜壓縮實驗，驗證了上述模型。采用壓縮后的

5、隔膜制備了鋰離子電池，完成了電池的電化學表征，表征結(jié)果揭示了隔膜的壓縮所致閉合行為是導致鋰離子電池容量衰減失效的一個重要影響機理。
　　本文在研究了隔膜外力所致的力學行為之外，還研究了隔膜在高溫熱場作用下的熱力學行為對鋰離子電池失效的影響機理。通過原位熱場原子力顯微鏡成像、功率譜密度和DIC分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯三層復合隔膜（Celgard2325產(chǎn)品）的表面形貌在熱場下的演化過程。實驗結(jié)果表明：隔膜的聚丙烯表面在

6、90℃溫度下會在隔膜的機器方向發(fā)生收縮，同時在橫向方向由于納米纖絲的膨脹發(fā)生微孔閉合的行為。這種在低于隔膜的熱閉合溫度（120℃）以及其熔點（165℃）的溫度下即發(fā)生的微孔閉合行為是鋰離子電池在熱場下快速失效的一個重要影響機理。
　　在電池濫用條件下，隔膜的力學可靠性也直接影響著電池的安全性。因此，本文隨后研究了隔膜的拉伸與斷裂力學行為及形變機理。針對五種干濕法制得的商品化隔膜開展了常規(guī)拉伸以及原位拉伸/原子力顯微鏡成像實驗。揭示

7、了隔膜的微觀結(jié)構(gòu)與拉伸性能的演變機制：對于干法制得的隔膜，由于隔膜表面微觀結(jié)構(gòu)中的片晶組在不同方向有著顯著不同的形變機理，因此隔膜的微觀結(jié)構(gòu)決定了隔膜的力學特性具有強烈的方向性。而且，為研究隔膜的斷裂行為，本文采用了基本斷裂功方法對隔膜完成了表征，明晰了隔膜的斷裂性能與微觀結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系及演化機制。
　　論文最后部分主要討論了拉伸-壓縮耦合應力對隔膜擊穿強度的影響作用。在分析隔膜受力狀態(tài)及傳統(tǒng)擊穿強度測試方法不足的基礎上，發(fā)現(xiàn)了預