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轻工学部/生物基材料与绿色造纸国家重点实验室在TOP期刊《Chemical Engineering Journal》和《Composites Part B: Engineering》上连续发表最新研究成果

发布时间:2024-05-22作者:出处:轻工学部责任编辑:轻工学部

轻工学部/生物基材料与绿色造纸国家重点实验室在《Chemical Engineering Journal(中科院一区,TOP期刊,IF=15.1)和《composite part Bengineering(中科院一区,TOP期刊,IF=13.1)上,发表了关于锂离子电池隔膜材料方面的研究成果“Electrospun of polyvinyl alcohol composite hydrogel nanofibers prepared by in-situ polymerization: A novel approach to fabricate hydrogel nanofiber membrane for lithium-ion batteries”和“Utilizing methacrylated lignin as a sustainable macro-crosslinker for synthesizing innovative PVA/AMPS composites crosslinked hydrogel nanofibers: A potential application for lithium-ion battery separators”。齐鲁工业大学(山东省科学院)轻工学部2022级研究生窦云为文章的第一作者,王守娟教授、Magdi教授和孔凡功教授为文章的通讯作者。

近年来,锂离子电池(LIBs)由于其高安全性、高容量密度和优越的长循环寿命,被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车中。在商业上,锂离子电池隔膜通常由聚烯烃材料制成,如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和其他石油基材料。虽然商用隔膜具有良好的成本效益和稳定的电化学性能,但也存在不可忽视的缺点,比如孔隙率低,电解质吸收能力和润湿性差等。而且,商业隔膜在高温下通常会发生显著的收缩和变形,带来安全隐患。

团队通过将光聚合与静电纺丝工艺相结合,介绍了一种新颖的纳米纤维膜的制备方法,合成了由聚乙烯醇(PVA)和NN-二甲基丙烯酰胺(DMAAm)组成的交联水凝胶纳米纤维膜(PDs)。为了解决现有电池隔膜的关键缺陷,团队通过加热干燥(PD12-HD)和冷冻干燥(PD12-FD)两种方法严格控制PDs水凝胶纳米纤维膜的孔隙率,并对比了这两种方法对纳米纤维膜的形貌特征、机械性能、热稳定性和电化学性能的影响。与此同时,为了进一步提高隔膜的力学性能,团队在此基础上做了进一步改进,提出了一种利用甲基丙烯酸木质素(LMA)作为生物基大分子交联剂,制备含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和聚乙烯醇(PVA)的复合水凝胶纳米纤维膜的简便方法。首先,通过酯化反应将甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)接枝到木质素上合成LMA。然后,将含有不同比例LMAPVA/AMPS的溶液进行静电纺丝,单体与交联剂之间通过自由基共聚和酯化反应进行聚合,合成具有交联网络结构的水凝胶纳米纤维膜(PVA/AMPS-LMA)。此外,团队还对比了生物基大分子交联剂LMA与传统小分子交联剂N,N’-二甲基二丙烯酰胺(MBA),评估了这两种交联剂对隔膜形貌特征、力学性能、热稳定性、电解液润湿性和电化学性能的影响,证明了LMA作为交联剂可以显著提高隔膜的性能。结果表明,这种木质素基的水凝胶纳米纤维膜具有制备简单、纤维和孔隙结构可控、电化学性能优异和安全性能稳定等理想的特点,在储能领域具有巨大的应用前景,为目前锂离子电池隔膜的更新换代提供一种可行的思路与方法。

1. 水凝胶纳米纤维膜(PDs)的制备过程示意图。

2. (a) LMA制备过程; (b) GMALigninLMAFTIR光谱;(c, d)木质素和LMA1H-NMR光谱。

3.纳米纤维隔膜的倍率性能和循环性能