埃洛石纳米管掺杂的聚醚酰亚胺基凝胶聚合物电解质的制备及性能研究

发布时间：2017-03-18 10:06

  本文关键词：埃洛石纳米管掺杂的聚醚酰亚胺基凝胶聚合物电解质的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池电解质按照形态可分为液体电解质、全固态聚合物电解质以及凝胶聚合物电解质。液体电解质虽然导电性能好,但是容易发生泄露,在实际应用中存在安全隐患,而全固态聚合物电解质虽然不存在电解液的泄露,安全性提高,但是其室温离子电导率较低,难以满足实际应用需求。凝胶聚合物电解质的形态介于液体电解质及全固态电解质之间,既缓解了液体电解质易泄露的安全隐患,又为离子的传输提供了类似液体电解质的液体环境,可大大提高电解质的离子电导率,因而在锂电池中有很好的发展及应用前景。聚醚酰亚胺(PEI)具有很强的高温稳定性、很好的韧性、强度和优良的机械性能,将PEI作为凝胶电解质骨架材料的聚合物基体,可以起到很好的支撑作用。埃洛石(HNTs)是一种天然的粘土质硅酸盐矿物,结构为直的中空管状结构,同时表面含有大量的硅羟基,将其添加到聚合物电解质中可以为离子的传输提供更多的通道。本课题首先对HNTs进行表面有机改性。采用离子交换法,以十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)作为表面活性剂,在HNTs的表面接枝上一层有机长链,旨在改善HNTs与聚合物基体及有机溶剂间的相容性。通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热失重分析(TGA)、比表面积及管径测试等手段的分析,验证了HNTs的改性成功。在PEI聚合物基体中加入不同含量改性前后的HNTs,通过静电纺丝法制备纳米纤维膜,并以此作为凝胶电解质的骨架材料。再将该骨架材料浸润到电解液中,吸收电解液达到饱和状态,活化成凝胶聚合物电解质。通过扫描电子显微镜(SEM)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等表征手段,观察了纳米纤维膜的微观形貌以及纤维的直径分布,发现纤维表面光滑,结构均匀,HNTs的加入使得纤维膜的平均纤维直径降低。骨架材料的基本结构测试表明本实验所制得的纳米纤维膜具有很高的孔隙率、饱和吸液率以及保液率。将该凝胶电解质组装成各种形式的扣式电池,测试电解质的电化学性能。结果表明,与商业化Celgard 2500隔膜相比,本实验所制备的凝胶电解质具有更优越的电化学性能,特别是含有1wt%有机改性HNTs的PEI基凝胶电解质,性能得到了显著的提升,其中,离子电导率达到了5.45×10-3S·cm-1,锂离子迁移数达到0.675,而组装成电池后测得的界面阻抗值只有90Ω,且具有优异的循环稳定性能。
【关键词】：凝胶聚合物电解质 纳米纤维膜 有机化改性 聚醚酰亚胺 埃洛石纳米管 电化学性能
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O631;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 绪论16-34
• 1.1 聚合物电解质16-20
• 1.1.1 锂离子电池概述16-17
• 1.1.2 锂离子电池工作原理17-18
• 1.1.3 聚合物电解质概述18-19
• 1.1.4 聚合物电解质的基体材料19-20
• 1.1.5 掺杂纳米填料的凝胶聚合物电解质20
• 1.2 静电纺丝20-24
• 1.2.1 静电纺丝概述21
• 1.2.2 静电纺丝原理及装置21-23
• 1.2.3 静电纺丝的应用及发展前景23-24
• 1.3 聚醚酰亚胺24-27
• 1.3.1 PEI的结构与性质24-27
• 1.3.2 PEI的应用领域27
• 1.4 埃洛石纳米管27-32
• 1.4.1 埃洛石纳米管概述27-28
• 1.4.2 埃洛石纳米管的结构与性质28-30
• 1.4.3 埃洛石纳米管的表面改性30-31
• 1.4.4 埃洛石纳米管的应用领域31-32
• 1.5 本课题的研究背景、意义及内容32-34
• 1.5.1 课题的研究背景及意义32
• 1.5.2 课题的主要研究内容32-34
• 第二章 离子交换法改性HNTs34-42
• 2.1 引言34
• 2.2 实验部分34-37
• 2.2.1 实验原料34-35
• 2.2.2 实验设备35
• 2.2.3 HNTs的有机改性35-36
• 2.2.4 改性前后HNTs的表征36-37
• 2.2.4.1 红外分析36
• 2.2.4.2 热失重分析36
• 2.2.4.3 高分辨率透射电镜(HRTEM)36-37
• 2.2.4.4 比表面积及管径测试37
• 2.3 结果与讨论37-39
• 2.3.1 红外分析37-38
• 2.3.2 热失重分析38-39
• 2.3.3 改性前后HNTs的微观形貌39
• 2.3.4 比表面积及管径测试39
• 2.4 本章小结39-42
• 第三章 掺有HNTs的PEI基凝胶电解质的制备及性能表征42-76
• 3.1 引言42-43
• 3.2 实验部分43-49
• 3.2.1 实验原料43
• 3.2.2 实验设备43-44
• 3.2.3 静电纺丝法制备PEI-HNTs聚合物纤维膜44-45
• 3.2.3.1 纺丝溶液的配制44-45
• 3.2.3.2 制备静电纺丝聚合物多孔膜45
• 3.2.4 凝胶聚合物电解质的制备45
• 3.2.5 扣式电池的组装45-46
• 3.2.6 表征及测试方法46-49
• 3.2.6.1 扫描电镜(SEM)46
• 3.2.6.2 高分辨率透射电镜(HRTEM)46
• 3.2.6.3 红外分析46
• 3.2.6.4 骨架材料的基本性能测试46-47
• 3.2.6.5 离子电导率测试47
• 3.2.6.6 电化学稳定窗口测试47-48
• 3.2.6.7 锂离子迁移数测试48
• 3.2.6.8 界面阻抗测试48
• 3.2.6.9 电池充放电及(倍率)循环稳定性测试48-49
• 3.3 结果与讨论49-73
• 3.3.1 HNTs的含量对PEI基凝胶电解质性能的影响49-63
• 3.3.1.1 不同HNTs含量的PEI基纳米纤维膜的微观形貌49-52
• 3.3.1.2 纳米纤维膜的红外分析52-53
• 3.3.1.3 纳米纤维膜的基本性能测试53-55
• 3.3.1.4 凝胶电解质的基本电化学性能测试55-58
• 3.3.1.5 界面阻抗性能测试58-60
• 3.3.1.6 电池循环稳定性能测试60-63
• 3.3.2 改性HNTs在PEI基凝胶电解质中的应用63-73
• 3.3.2.1 纳米纤维膜的微观形貌63-65
• 3.3.2.2 纳米纤维膜的基本性能测试65-67
• 3.3.2.3 凝胶电解质的基本电化学性能测试67-70
• 3.3.2.4 电池循环稳定性能测试70-73
• 3.4 本章小结73-76
• 第四章 结论76-78
• 参考文献78-86
• 致谢86-88
• 研究成果及发表的学术论文88-90
• 作者和导师简介90-92
• 附件92-94

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 郭宝春;邹全亮;类延达;杜明亮;刘明贤;贾德民;;尼龙6/埃洛石纳米管纳米复合材料的制备与性能[J];化工新型材料;2008年06期

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3 张清华,陈大俊,丁孟贤;聚酰亚胺纤维[J];高分子通报;2001年05期

4 杨东洁;聚酰亚胺纤维及其应用[J];合成纤维;2000年06期

  本文关键词：埃洛石纳米管掺杂的聚醚酰亚胺基凝胶聚合物电解质的制备及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：254286