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长春工大:电纺丝诱导发色团分子取向及其在锂离子电池中间隔膜中的应用
2021-02-07 高分子科技

  长春工业大学材料科学高等研究院和化学工程学院的王世伟教授课题组首次将静电纺丝技术应用于发色团分子的取向,并将这种薄膜应用于锂离子电池中间隔膜中,结果显示由于取向的发色团的引入,显著增强了锂离子在薄膜中的传导率。如图1所示,典型的发生团分子DR1在PVDF粘稠的溶液中处于活化状态,结合静电纺丝过程中高压直流电场的作用,DR1分子发生一致取向,当溶剂挥发完全,在薄膜中,DR1分子的取向得以固定,得到了具有取向结构的PVDF/DR1静电纺丝纤维膜。如图2所示,通过测试薄膜锂离子电导率,可以发现,薄膜的锂离子电导率随着DR1分子含量的增加而增强,但随着其分子浓度的增加其相容性会有所下降,通过试验发现DR1在聚合物中2%重量比情况下薄膜电导率最高,而且静电纺丝电压越大,薄膜的锂离子电导率越大,最大值可以达到52 ms.cm-1, 而纯PVDF同样方法制备的薄膜同样方法测试,其锂离子电导率只有3.61 ms.cm-1。

  

  图1 a) 为发色团DR1和DO25的分子结构示意图;b) 静电纺丝示意图;c) 锂离子在薄膜中传输过程示意图;d) 电纺丝诱导发色团分子取向过程示意图。

  

  图2 a) PVDF/DR1纺丝膜表面接触角随纺丝电压变化;b) PVDF/DR1纺丝膜电导率随DR1浓度的变化;c)和d)分别为 PVDF/DR1和PVDF/DO25纺丝膜电导率随纺丝电压的变化。

  PVDF/DR1电纺丝薄膜锂离子传输增强的现象一定是DR1分子发生取向导致的,那么一个新的问题出现了:锂离子传输增强是由于DR1分子中分布不均匀的电子云结构(偶极结构)引起的,还是分子链两端连接的亲疏水官能团导致的呢?因此,接下来编辑选用了与DR1分子结构相似的DO25重复上述试验,发现PVDF/DO25电纺丝薄膜的锂离子传导率并没有提高(如图2d所示), DO25与DR1的分子结构的区别就在于DO25分子结构的两端都是疏水基团,而DR1分子链结构的两端分别是亲水基团和疏水基团,可以推断,PVDF/DR1薄膜锂离子传输增强的机理应该是DR1分子取向,分子链两端的亲水和疏水官能团也随之翻转,亲水的羟基可以吸引锂离子,而疏水基团排斥锂离子,如图3所示,导致了锂离子在取向的DR1薄膜中,不断向前吸引和交替排斥,促使了它快速地传输到薄膜另一面。而没有亲水基团的DO25分子虽然也会发生取向,但确没有显著地增强锂离子电导率。

  

  图3 PVDF/DR1静电纺丝膜锂离子传输增强机理示意图。

  该工作中,编辑通过薄膜表面接触角(图2a),拉曼光谱等表征手段证实了DR1分子在纺丝过程中取向的过程(图4)。采用扫描电镜表征了薄膜表面的纤维形貌。

  

  图4 PVDF/DR1静电纺丝膜拉曼光谱图。

  以上研究成果近日发表于Journal of Materials Chemistry A, 论文的第一编辑是长春工业大学材料科学高等研究院和化工学院硕士研究生高立峰,通讯编辑是长春工业大学化学与工程学院王世伟教授。汕头大学的段连峰教授在锂离子电池的制备与表征方面给予了很多帮助。

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