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静电纺丝技术是一种简单有效、尺寸可控、原料适应性广的大规模纳米纤维制备方法,在某些领域已经实现了工业化生产和应用。目前,规模化静电纺纳米纤维的制备技术包括(多)针头式和无针头式两类;相对于(多)针头式静电纺丝技术而言,无针头静电纺丝技术具有产量高、速度快的优势,且不存在针头易堵、难以清洗等问题。然而,当前产业化制备纳米纤维的无针头静电纺丝技术需要较高的纺丝电压,严重地降低了能源利用率,且所纺制纤维粗细不匀,纤维膜的均匀性较差。分形几何图形具有自相似性,Von Koch曲线是分形结构中最简单的几何图形。Von Koch曲线中的三角形尖端数量随着分形级数的增加而增多,因此利用Von Koch曲线的自相似性可提高基于分形结构中Von Koch曲线建立的纺丝电极场强的均匀性;利用Von Koch曲线的多尖端特性可以提高电极的电场强度和生产效率,同时还可达到节约能源的目的。因此,本研究基于分形原理,设计并开发了分形结构尖端无针头静电纺丝电极,并搭建线性纺丝体系实验平台,探讨分形结构纺丝体系的可行性,并讨论了纺丝溶液、电压、接收距离对纳米纤维形貌的影响。场强值较大且分布均匀的电场有利于直径较小且直径分布均匀的纳米纤维电纺膜的形成,而直径较小且分布均匀的电纺膜相比直径较粗且分布不均的电纺膜具有更高的孔隙率,且厚度均匀。锂离子电池要求隔膜具有较高的孔隙率且厚度均匀,因此将分形结构纺丝体系制备的电纺膜应用于锂离子电池隔膜有助于提高锂电隔膜的孔隙率、吸液率、电化学性能和循环性能。目前市场上的锂离子电池隔膜主要是聚烯烃隔膜,聚烯烃隔膜虽然具有优异的机械强力和化学稳定性,但是由于其熔点较低,热稳定性较差,在使用过程中存在安全问题,另外对电解液的润湿性较低也是聚烯烃隔膜应用于锂离子电池的重要缺陷。因此本研究通过分形结构静电纺丝体系制备耐高温的Al2O3@PI电纺膜,提高锂离子电池隔膜的耐高温性能,同时将其与PE隔膜进行热轧复合,赋予锂离子电池隔膜热闭孔功能。经过热轧复合得到的具有低温热闭孔功能的Al2O3@PI/PE/Al2O3@PI三层复合膜虽然具有较高的孔隙率、吸液率、对电解液也有较高的润湿性以及较好的电化学性能和循环性能,但强力不足。为提高Al2O3@PI/PE/Al2O3@PI复合膜的强力,经过改性的商业PE膜(m-PE)被应用与复合膜中,最终制备的具有低温热闭孔功能的Si02@PI/m-PE/SiO2@PI三层复合膜在获得优异孔隙率、吸液率、对电解液也有较高的润湿性以及较好的电化学性能和循环性能的同时,还具有较高的机械性能。本论文研究的具体内容如下:首先,采用COMSOL有限元软件对一、二、三级线性分形结构静电纺丝体系中的电场强度以及场强分布均匀性进行了模拟研究,基于场强大且均匀的原则优选出二级线性分形结构静电纺丝电极。为保证纺丝过程的连续性、均匀性和大规模工业化生产,将二级分形结构纺丝电极设计为圆形和椭圆形。对圆形和螺旋形分形结构纺丝电极进行建模、电场模拟与分析,同样基于场强大且均匀的原则优选出圆形二级分形结构纺丝电极为最优。然后通过调整圆形二级分形结构纺丝单元之间的间距和高度差,进一步减弱甚至消除"End effect"效应,通过调整纺丝单元之间的相对位置,提高纺丝电极在连续转动过程中电场的稳定性,最终确定纺丝单元间距为40mm,高度差为]5mm,2#和4#纺丝单元顺时针旋转36°时的模型能够维持较为均一的电场强度。其次,以线性二级分形结构纺丝电极为例,验证分形结构纺丝电极的可行性。通过探讨纺丝液浓度、纺丝电压、接收距离对纳米纤维直径的影响研究分形结构无针头静电纺丝电极的纺丝机理,并最终确定线性二级分形结构纺丝体系制备PVDF纳米纤维的最佳工艺条件为:纺丝液浓度10.41%,纺丝电压23.00 kV,接收距离22 cm,且在此条件下所纺制的纳米纤维平均直径为351 nm,CV值为15%。再次,采用圆形二级分形结构纺丝体系制备Al2O3@PI电纺膜,并与自制PE膜进行热轧复合得到Al2O3@PI/PE/Al2O3@PI三层复合膜。使复合膜在保留电纺膜高孔隙率、高吸液率、对电解液良好润湿性及良好电化学等特性的同时赋予锂离子电池隔膜低温热闭孔功能。最后,为进一步提高锂离子电池隔膜的力学性能,本文采用圆形二级分形结构纺丝体系制备SiO2@PI电纺膜,并对商品PE膜进行改性,将SiO2@PI电纺膜和改性后的PE膜进行复合得到SiO2@PI/m-PE/SiO2@PI三层复合膜。SiO2@PI/m-PE/SiO2@PI三层复合膜除具有电纺膜作为锂离子电池隔膜的优良特性以及低温热闭孔功能外,还达到了商业聚烯烃PP/PE/PP隔膜相当的力学性能,具体结果如下:孔隙率为78%,吸液率为575%,接触角为11°,强度为177.6 MPa,离子电导率为0.94mS/cm,界面阻抗为72Ω,电化学稳定窗口为5.3V,首次充放电比容量分别为166.1 mAh/g和162.4 mAh/g,经过100次充放电循环后,放电比容量为135.6 mAh/g,比容量保留率为83.5%。