锂离子电池用PEO基复合聚合物电解质的制备及研究
发布时间：2020-06-08 09:24
【摘要】：锂离子电池已经广泛运用到便携电子设备和电动汽车等领域,但目前其能量密度和安全性还难以满足需求,采用锂金属负极能大幅提升电池的能量密度,与此同时也给电池的安全性带来了更大的挑战。聚合物电解质有安全性好和对锂金属稳定性的优点,被认为是最有前景的下一代电解质材料,但要获得兼具优异的电化学性能和力学性能的聚合物电解质仍然非常困难。本文通过向聚氧化乙烯(PEO)基聚合物中引入表面接枝的纳米Si02作为交联剂,提高聚合物电解质的性能,并制备了两种不同结构的PEO基复合聚合物电解质,主要分为两个部分,具体内容如下:(1)利用Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷对纳米Si02进行接枝改性,使其能作为交联剂与聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE)和聚醚胺(DPPO)在加热的条件下聚合,生成具有三维交联结构的PEO基复合聚合物电解质(3D-GCPE)。研究结果表明:该电解质的室温离子电导率高达4.65×10-3Scm-1,锂离子迁移数达到了 0.45,还具有5.4 V(vs.Li+/Li)的宽电化学窗口。该电解质拥有不错的力学性能,拉伸强度和断裂伸长率分别达到了 8.95 MPa和181.9%。该电解质还具有良好的对锂金属稳定性,组装的Li/3D-GCPE4/LiFePO4表现出优异的循环性能和倍率性能,1C循环500圈后的容量保持率在90%以上,在10C的倍率下,仍能保持124 mAh g-1的高容量。另外,该电解质还能够配合高电压正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和LiNi0.5Mn1.5O4,并表现出了良好的循环性能。(2)利用简便的紫外光引发,将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷接枝的纳米Si02、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(PEGEMA)聚合形成梳状的PEO网络,聚合过程中该PEO网络与线性的偏氟乙烯-六氟丙烯无规共聚物(PVDF-HFP)网络相互贯穿,形成一种半互穿网络结构的PEO基复合聚合物电解质(Semi-IPN-GCPE)。研究结果表明:该电解质的室温离子电导率高达2.71×10-3Scm-1,电化学窗口达到了 5V,拉伸强度和断裂伸长率分别达到了 7.01 MPa和248.1%,热分解温度高达330℃。该电解质对锂金属稳定性好,组装的Li/Semi-IPN-GCPE/LiFePO4电池表现出优良的循环性能和倍率性能,1C倍率循环300圈后,仍剩余141.3 mAh 的可逆容量,在10C倍率下,具有103.4 mAh g-1的高容量,远优于传统液态电解液的性能。
【图文】：
Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｌｉｔｈｉｕｍ邋ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙｆｌ２］逡逑目前的锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、液态电解液和电池封装材料组逡逑成，如图１．１所示。充电过程中，锂离子从正极ＬｉＣｏＯ：的晶格中脱出，进入液态逡逑电解液中，并在电场的作用下，从隔膜的微孔中穿梭至负极，嵌入石墨的层间。逡逑在放电过程中，，锂离子又从石墨的层间脱出，经过电解液和隔膜，嵌入正极ＬｉＣ0０２逡逑的晶格之中【｜２］。逡逑除了上述的ＬｉＣｏＣｈ正极和石墨负极，常用的正极材料还有ＬｉＭｍ0４、ＬｉＦｅＰ０４、逡逑ＬｉＮｉｗＣｏｗＭｎｗＣｂ和ＬｉＮｉｏ．５Ｍｍ．５Ｏ４等富锂化的正极，负极材料还有硅碳复合材逡逑料、ＬｂＴｉ0３和锂金属等。隔膜主要是聚乙烯、聚丙烯和ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ三层复合膜等逡逑烯烃类的微孔膜，电解液主要由ＬｉＰＦ６和ＬｉＣ１０４等锂盐，溶解在碳酸酯和醚类溶逡逑剂中所构成［１３，１４］。逡逑１．２．２锂离子电池的发展逡逑锂离子电池己经得到了广泛运用，但仍受制于能量密度和安全性的不足，为逡逑了提高锂离子电池的能量密度
的解决上述问题，如阻燃添加剂通常会降低电解质的离子传导能力，会一定程度逡逑上降低电池的容量【３Ｑ］。固态电解质因其不同于传统隔膜加液态电解液体系的多种逡逑优点吸引着越来越多的关注，采用固态电解质的锂离子电池结构如图１．３所示，逡逑固态电解质兼具隔膜和电解质的作用，主要的有优点包括：（１）抑制锂枝晶的生逡逑长；（２）不易燃、无泄漏；（３）简化电池的结构设计提高能量密度；（４）较好的电化学逡逑稳定性等。因此，固态电解质被认为是最有效的解决途径，吸引／大量的研究［１５，逡逑３１，３２１。但目前仍受制于离子电导率较低、电极／电解质界面阻抗高和力学性能差等逡逑缺点，难以实用化［３３，３４１。逡逑ｄｉｓｃｈａｒｇｅ逡逑！邋Ａ邋）逡逑ｓｓｅ逦Ｖ－／逡逑ｃｈａｒｇｅ逡逑逦令逦ｅ￣逡逑图１．３固态电解质电池的原理图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋ｂａｔｔｅｉｙ逡逑固态电解质包括陶瓷电解质和聚合物电解质，陶瓷电解质又称锂快离子导体，逡逑一般分为为氧化物和硫化物两大类。聚合物电解质又称为离子导电聚合物，是一逡逑４逡逑
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O646.1;TM912
本文编号：2702868
【图文】：
Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｌｉｔｈｉｕｍ邋ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙｆｌ２］逡逑目前的锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、液态电解液和电池封装材料组逡逑成，如图１．１所示。充电过程中，锂离子从正极ＬｉＣｏＯ：的晶格中脱出，进入液态逡逑电解液中，并在电场的作用下，从隔膜的微孔中穿梭至负极，嵌入石墨的层间。逡逑在放电过程中，，锂离子又从石墨的层间脱出，经过电解液和隔膜，嵌入正极ＬｉＣ0０２逡逑的晶格之中【｜２］。逡逑除了上述的ＬｉＣｏＣｈ正极和石墨负极，常用的正极材料还有ＬｉＭｍ0４、ＬｉＦｅＰ０４、逡逑ＬｉＮｉｗＣｏｗＭｎｗＣｂ和ＬｉＮｉｏ．５Ｍｍ．５Ｏ４等富锂化的正极，负极材料还有硅碳复合材逡逑料、ＬｂＴｉ0３和锂金属等。隔膜主要是聚乙烯、聚丙烯和ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ三层复合膜等逡逑烯烃类的微孔膜，电解液主要由ＬｉＰＦ６和ＬｉＣ１０４等锂盐，溶解在碳酸酯和醚类溶逡逑剂中所构成［１３，１４］。逡逑１．２．２锂离子电池的发展逡逑锂离子电池己经得到了广泛运用，但仍受制于能量密度和安全性的不足，为逡逑了提高锂离子电池的能量密度
的解决上述问题，如阻燃添加剂通常会降低电解质的离子传导能力，会一定程度逡逑上降低电池的容量【３Ｑ］。固态电解质因其不同于传统隔膜加液态电解液体系的多种逡逑优点吸引着越来越多的关注，采用固态电解质的锂离子电池结构如图１．３所示，逡逑固态电解质兼具隔膜和电解质的作用，主要的有优点包括：（１）抑制锂枝晶的生逡逑长；（２）不易燃、无泄漏；（３）简化电池的结构设计提高能量密度；（４）较好的电化学逡逑稳定性等。因此，固态电解质被认为是最有效的解决途径，吸引／大量的研究［１５，逡逑３１，３２１。但目前仍受制于离子电导率较低、电极／电解质界面阻抗高和力学性能差等逡逑缺点，难以实用化［３３，３４１。逡逑ｄｉｓｃｈａｒｇｅ逡逑！邋Ａ邋）逡逑ｓｓｅ逦Ｖ－／逡逑ｃｈａｒｇｅ逡逑逦令逦ｅ￣逡逑图１．３固态电解质电池的原理图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ邋ｂａｔｔｅｉｙ逡逑固态电解质包括陶瓷电解质和聚合物电解质，陶瓷电解质又称锂快离子导体，逡逑一般分为为氧化物和硫化物两大类。聚合物电解质又称为离子导电聚合物，是一逡逑４逡逑
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O646.1;TM912
【参考文献】
相关博士学位论文 前2条
1 卢青文;锂二次电池用新型聚合物电解质和负极表面改性的研究[D];上海交通大学;2014年
2 朱玉松;高性能锂离子电池聚合物电解质的制备及研究[D];复旦大学;2013年
本文编号：2702868
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