纳米纤维素/纳米二氧化硅复合隔膜的制备与性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

目的：制备纳米纤维素与纳米二氧化硅复合成的锂电池隔膜，并测试此材料的性能及研究在电池中的应用。

意义：锂离子电池是一种有潜力的电动汽车和混合电动车用能源，具有高比容量、长循环寿命、无记忆效应、安全、可靠且能快速充放电等优点，成为近年来新型电源技术研究的热点。锂电池隔膜的锂离子传导能力直接关系到锂离子电池的整体性能，对电池使用者和设备起到安全保护作用，开发新一代的隔膜成为锂电材料研究中的重心。市场化的锂离子电池隔膜主要是聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜，虽然其具有较高孔隙率、较低的电阻、较好的抗酸碱能力等性质，但是吸液性能并不太好，导致离子电导率低。而锂电池纳米二氧化硅复合隔膜是有机-无机纳米材料，不仅兼有有机物与无机纳米材料的特性,同时又具备复合材料中纳米尺寸小的特点,因此可提高有机物的刚性、模量、磁学性能、电学性能甚至光学性能和智敏性能等。锂离子电池的发展趋势是进一步降低制造成本，提高安全性和循环寿命。目前国内大多数高端锂离子电池隔膜依然需要进口，国内尚未形成规模化生产。如何开发我国巨大的锂离子电池和隔膜材料市场，是我国电池行业亟待解决的问题。本研究旨在解决目前锂离子电池开发应用方面的一些困难，开发新型的隔膜材料。

2. 国内外研究现状分析

国外：日本的TeijinLtd、NishikawaSatoshi、HonMotoHiroyuki曾联合研究了一种锂离子电池隔膜，该隔膜为一多孔层，主要由芳香族聚酰胺组成，两边为非纺织织物，有高的热阻性，操作方便，能改善锂离子电池的安全性。WensleyCGlen等人通过溶解聚偏氟乙烯－六氟丙烯（PVDF-HFP）等共聚物制备了凝胶锂离子隔板电池，凝胶涂层有助于保持液体电解质于层状结构内，因而减低电解质渗漏的危险。

国内：厦门大学董全峰等人利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、PAN及聚偏氟乙烯（PVDF）等高分子聚合物材料作为填充基体溶解，在NMP、氮氮二甲基甲酰胺(DMF)及四氢呋喃（THF）等溶液中制备混合溶液，并在混合溶液中添加二氧化硅（SiO2）或三氧化二铝（Al2O3）无机离子，然后涂覆在PP、PE、玻璃纤维及PA等基材上制备复合聚合物锂离子电池隔膜。用该隔膜制造的电池具有较高的尺寸稳定性，且循环性能好、安全性高，能够很好地解决电解质隔膜微短路的问题，提高电池的体积比容量。李文漫等人将聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丙酯等高聚物或其混合物溶解在丙酮、甲醇、丁酮和THF等极性非极性溶剂，然后填充SiO2、Al2O3及三氧化二铁（Fe2O3）等无机材料，制备混合溶液，然后涂覆在基带上，并通过加热蒸发除去溶剂，制备了一种聚合物隔膜。采用该隔膜的聚合物锂离子电池吸液率高、孔隙率高、离子电导率高、循环性能好、制作工艺简便、成本低。大连理工大学齐文等人采用电纺丝方法制备了一种新型锂离子电池用聚醚砜酮-聚偏氟乙烯-聚醚砜酮（PPESK/PVDF/PPESK）复合夹层隔膜。研究结果表明，PPESK/PVDF/PPESK具有较高孔隙率及吸液率。采用该复合隔膜组装的锂离子电池首次放电比容量及循环比容量保持性能均优于采用电纺PVDF隔膜组装的锂离子电池。而且，PPESK/PVDF/PPESK复合夹层隔膜具有良好的热尺寸稳定性能及热自关闭性能。

3. 研究的基本内容与计划

内容：以竹粉为原料，提取纳米纤维素然后将纳米纤维素与纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜，并对其性能进行测试。

计划：1）11月选题，查阅文献，收集资料，明确研究方向；2）12月拟定实验方案；3）121月准备实验材料，进行预实验；4）34月正式试验及数据分析；5）5月撰写毕业论文；6）6月修改文章并定稿，准备答辩。

4. 研究创新点

以竹粉天然植物为原材料制备纳米纤维素，来源丰富，价格低廉，绿色环保。传统的电池基底膜大都采用塑料、玻璃等材料，这些材料尺寸稳定性不好，而且用后不易降解。本实验采用化学与机械相结合的方法制备出尺寸、形态、性能优越的纳米纤维素薄膜。从生物质中制得纳米纤维素与纳米二氧化硅复合，提升原有纳米二氧化硅的性能，具有质轻、容易降解、生物相容性好等特性，在纳米复合材料领域中有着巨大的应用潜力和前景，对保护环境、实现经济效益最大化具有重要意义。