【摘要】 通过电化学阻抗谱（EIS）方法监测循环时的工作电极和隔膜特性。

本文考虑了基于聚偏氟乙烯 (PVDF) 及其聚合物组合物的纳米和微纤维的新型锂离子电池静电纺丝隔膜的电化学行为，其中聚四氟乙烯 (PTFE) 比传统使用的基于聚丙烯的隔膜具有先进的导电性能(PP) 和玻璃纤维 (GF)。这种进步与电纺材料的低密度导致机械强度较低有关。

 

然而，它在排除枝晶生长的中压阳极材料的电化学系统中的应用是非常有前景的。在以 Li4Ti5O12 作为研究电极的三电极实验室半电池中研究了隔膜的运行性能。在不同的实验条件下进行电池的恒流充放电测试：电流在0.1C-1C范围内变化，1C循环进行100次以上。

 

通过电化学阻抗谱（EIS）方法监测循环时的工作电极和隔膜特性。所有类型的隔膜在循环过程中都注意到 Li4Ti5O12 传输特性逐渐下降。然而，PVDF 和 PTFE 基隔膜的降解率最低。这一事实的解释是，与其他隔膜相比，电纺隔膜具有更好的导电性，因此电极表面上的电流分布更好，电极中的浓度扰动更低。

 

图 1. 对于具有三种类型隔膜的电池，当电流在 0.1 C 至 1 C 范围内变化时，Li4Ti5O12 电极的循环次数对比容量的依赖性： (a) 静电纺丝 PVDF|PTFE 混合纤维隔膜(b) PP 基隔膜； (c) 玻璃纤维隔板【1】

 

可以利用循环容量对循环次数的依赖性，对使用经过测试的隔膜样品的电池长期循环期间的电化学行为进行更详细的评估（图1）。与基于PP的隔膜材料，特别是与基于玻璃纤维的隔膜材料相比，基于静电纺丝的PVDF|PTFE混合纤维的隔膜在初始循环中表现出更高水平的容量和更高的循环速率特性。

 

然而，静电纺PVDF|PTFE混合纤维基隔膜的电容退化率高于PP基隔膜和玻璃纤维隔膜。由于活性电极材料的组成、电极块、电解质和对电极的辅助成分在所有情况下都是相同的，因此只有电池中的电流和极化分布会影响电化学特性。由于隔膜孔隙中电解液的电阻较低，因此与具有 PP 基隔膜和聚四氟乙烯隔膜的电池相比，具有 PVDF|PTFE 隔膜的电池中的 Li4Ti5O12 电极以更强烈的模式运行，并且更充分地实现了其特性。玻璃纤维隔板。降解过程也更加剧烈，这是很自然的。

 

考虑对锂离子电池用静电纺丝 PVDF|PTFE 混合纤维、PP 和玻璃纤维隔膜的半电池中 Li4Ti5O12 电极电化学行为进行比较研究。研究了在电流从 0.1 C 增加到 1 C 的循环过程中以及通过 1 C 的恒定电流进一步长期循环过程中电池的行为。 PVDF|PTFE PP到GF系列的初始电池容量增加和同系列中容量退化率的降低是由于隔膜中每个电解质的极化分数增加而每个电极的极化分数减少这一事实来解释的。

 

这就是为什么浓度梯度随着电极材料颗粒的深度而减小并且从电极提取的容量更小的原因。然而，提取的锂容量的比例越小，电极材料的工作模式越软，并且发生的降解效应越少。从隔膜的结构特征的角度来解释隔膜孔隙中电解质的导电性能和电池中极化分布的性质。使用 EIS 方法，在循环测试的各个阶段对电极进行诊断。

 

研究发现，与极端电流模式下循环的影响相比，中等电流（1 C）下的长期循环不会显着影响 Li4Ti5O12 电极的传输性能。长时间循环过程中电容退化速率的差异可能是由于电池中极化的重新分布不同造成的。

 

【1】Makhov S V, Ivanishchev A V. Long-Term Cycling Behavior of Electrospun Separators for Lithium-Ion Batteries: A Comparison with Conventional Separators[J]. Energies, 2020, 13(9): 2183.

 

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