[发明专利]锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：S11、在微观尺度下，根据微纤丝和基质的原始占比以及微纤丝的原始角度，建立由基质包裹微纤丝的薄壁圆筒有限元模型，通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E1；S12、运用原子力显微镜并采用纳米压痕实验方法测得单根纤维的力位移曲线，经数据处理后得到单根纤维的实际弹性模量E2；S13、对模型弹性模量E1和实际弹性模量E2进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述微纤丝的占比或减小微纤丝的角度；如果则提高有限元模型中所述基质的占比或增大微纤丝的角度；如果则无需对有限元模型进行优化。本发明建立并优化纤维素隔膜结构模型，提高模型准确度。

技术领域

本发明涉及锂离子电池纤维素隔膜技术，特别涉及一种锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、使用寿命长、无记忆效应、绿色安全等优点而被广泛用于手机等电子产品，并且以电动汽车为代表的新能源交通工具产业正在飞速的发展。隔膜作为锂离子电池四大关键材料之一，其作用主要隔离正负极，防止短路，同时提供锂离子通过的微孔通道。

目前市场上商业化的锂离子电池隔膜多为聚烯烃材料隔膜，通常为单向或双向拉伸的单层聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PP/PE/PP三层复合隔膜。然而，聚烯烃隔膜因为是热塑性分子材料，热稳定较差，研究表明90℃以上发生热收缩，150℃以上会逐渐融化，会造成锂离子电池内部短路，出现重大的安全问题。另外聚烯烃隔膜与电解液的亲和性较差。

近年来，纤维素隔膜的研究得到广泛的关注并且取得了不错的成果。纤维素隔膜较商业化的聚烯烃隔膜具有更好的热稳定性和浸润性，为研究新型锂电池隔膜奠定了基础。由于纤维素隔膜是由纤维交错排列而成的，与聚烯烃隔膜相比有着较高的孔隙率，提高了锂离子导电率。纤维素隔膜多为天然纤维素分子，化学稳定性良好，且来源充足、环保，制备过程简单，具有可降解的特点。

目前，大多数的锂离子隔膜研究旨在通过改性来提高隔膜的某方面性能，然而从内部结构上来研究隔膜还尚未有较多的成果。从隔膜的微观结构可以看出，在不同尺度下，隔膜中纤维所表现的结构形态并不相同。通过建立隔膜的多尺度结构模型，研究隔膜的内部结构对隔膜性能的影响，为纤维素隔膜制造工艺参数优化提供理论基础，对生成高性能的隔膜有着重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，建立微观尺度和中尺度下的有限元模型，并优化模型，为研究隔膜内部结构对隔膜性能影响提供理论依据。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

锂离子电池纤维素隔膜多尺度结构模型的优化方法，包括如下步骤：

S11、在微观尺度下，根据微纤丝和基质的原始占比以及微纤丝的原始角度，建立由基质包裹微纤丝的薄壁圆筒有限元模型，通过有限元仿真模拟得到模型的弹性模量E1；

S12、运用原子力显微镜并采用纳米压痕实验方法测得单根纤维的力位移曲线，经数据处理后得到单根纤维的实际弹性模量E2；

S13、对模型弹性模量E1和实际弹性模量E2进行对比分析，如果则提高有限元模型中所述微纤丝的占比或减小

微纤丝的角度；如果则提高有限元模型中所述基质的占比或增大微纤丝的角度；如果则无需对有限元模型进行优化。

作为优选的技术方案，在步骤S11中通过测定纤维中纤维素、半纤维素和木质素的含量得到所述微纤丝和所述基质的原始占比。

作为优选的技术方案，在步骤S11中所述微纤丝的原始角度通过X射线衍射的方法测得。