改性的二氧化硅填料填充PEO-PEI基全固态电解质的制备和研究

发布时间：2020-05-27 18:57

【摘要】：锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环性能好等突出优势,是当下很好的一种新能源形式。电解质作为其组成的关键部分,很大程度上决定了电池的性能。其中聚合物固态电解质由于其安全性高、柔韧性好以及良好的机械强度,具有非常好的应用前景,但其室温离子电导率低对其能够真正应用提出了很大的挑战。添加纳米填料以及共混改性都是提高固态电解质离子电导率的有效手段,但直接添加纳米颗粒的方法颗粒间易团聚、聚合物与陶瓷填料相容性差、聚合物结晶度高等问题使电导率提高有限。在纳米颗粒表面接枝聚合物能够通过其空间位阻效应提高纳米粒子的分散性,同时能够提高链段的运动性。本文从提高离子电导率出发,将添加改性纳米填料和聚合物共混的方法相结合,制备得到了 SiO2/PDA/PEI+PEO+PEI+LiClO4体系以及SiO2/PGMA+PEO+PEI+LiClO4体系的全固态电解质。本文首先采用不同形态和粒径的SiO2,利用多巴胺自聚的原理,在SiO2表面包覆上了多巴胺,再利用聚多巴胺层上的酚羟基进行二次改性,接枝上了聚合物PEI。将改性后的颗粒加入到PEO/PEI基共混体系中,制得电解质膜。通过表征测试可以得出,多巴胺、PEI在SiO2表面均匀包覆和接枝,改性后的纳米填料在聚合物基体中分散良好,制得的固态电解质膜具有较低的结晶度和良好的高温热稳定性。将该固态电解质组装成电池测试电化学性能表明,与纯PEO等对比体系相比,本实验所制备的电解质室温离子电导率大幅度提高,其中50nm介孔SiO2体系的电导率最高,为1.76×10-4S·cm-1。各体系的80℃离子电导率均达到10-3数量级。此外各体系均具有较高的锂离子迁移数和合适的电化学窗口,电化学稳定性良好。此外,本文利用原子转移自由基聚合(ATRP)的原理,在SiO2表面接枝上了聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA),并将其加入到PEO/PEI基共混体系中,制得电解质膜。通过表征手段可以得知PGMA包覆均匀,纳米填料分散良好,电解质膜结晶度低、高温热稳定性良好。通过电化学测试,该电解质具有较高的室温离子电导率(8.89×10-5S·cm-1),以及较高的锂离子迁移数(0.66)和合适的电化学窗口,电化学稳定性良好。
【图文】：

锂离子电池,反应原理

Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙ逡逑若负极材料以ＬｉａＭｂＺｃ表示，ＬｉｄＡｅＢｆ表示正极材料，则锂离子电池的充放逡逑电工作反应原理可简单地用图１－２表示Ｗ。逡逑充电逡逑负极反Ｓ：邋ＵａＭｆｅＺｃ＋ｘｅ＞ｘＬｒ邋￣逦＊－邋Ｌｉａ－＾ｌｂＺｃ逡逑－申邋放电逡逑正极反应：ＬｉｄＡ．Ｂｒ邋厂这邋ＬｉｄｘＡｅＢｒｘＬｉ＾ｘｅ－逡逑放电逡逑电池反应：ＬｉｄＡ？Ｂｆ逦Ｕ＾ＭｂＺ，＋Ｕｉ．ｘＡＳ逡逑＂＇Ｅｍ＂逡逑图１－２锂离子电池反应原理逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｌｉｔｈｉｕｍ邋ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙ逡逑１．１．３锂离子电池电解质概述逡逑从材料的角度来看，锂离子电池是多种组分特殊分布的复合材料，有丰富的逡逑界面，这就构成了各种性能的基础。电极与电解质之间的界面控制着锂离子的动逡逑力学，因此是最重要的。电解质所起的作用是分隔阳极和阴极，阻断电子、导通逡逑离子［９］，同时关系到循环性能，，安全性等电池性能。在实际应用中，电解质必须逡逑拥有以下几项条件［１％逡逑（１）

聚合物固体电解质,导电机理

运动［２８］。因此要改性获得高电导率的聚合物电解质，就要从本质上降低聚合物逡逑的结晶度以及玻璃化转变温度Ｔｇ，增加无定形区域，提高聚合物链段的运动能逡逑力。图１－３所示为聚合物固体电解质的导电机理图逡逑Ｉｎｔｒａｃｈａｉｎ邋ｈｏｐｐｍｇ逦Ｉｎｔｒａｃｈａｉｎ邋ｈｏｐｐｉｎｇ邋ｖｉａ邋ｋｍ邋ｃｌｕｓｔｅｒ逡逑Ｉｎｔｅｒｃｈａｉｎ邋ｈｏｐｐｉｎｇ逦Ｉｎｔｅｒｃｈａｉｎ邋ｈｏｐｐｉｎｇ邋ｖｉａ邋ｉｏｎ邋ｃｌｕｓｔｅｒ逡逑图１－３聚合物固体电解质的导电机理逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｔｈｅ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｐｏｌｙｍｅｒ邋ｓｏｌｉｄ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逡逑通常来讲，能够作为固态电解质基体材料的高分子材料在低温下具有较高的逡逑结晶度，并且大部分与锂盐络合的链段处于这个结晶区里，从而锂离子传导困难，逡逑且界面性能较差［２６］。具有活化链段的无定型相有利于离子运输，因此可以通过逡逑６逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912;TB34

【参考文献】