高性能聚合物电解质的制备、表征及其在全固态锂电池中的应用

发布时间：2020-06-21 05:52

【摘要】：传统锂离子二次电池由于使用液态有机电解液,容易发生漏液、爆炸的危险。新型聚合物固体电解质能有效解决使用液态电解液带来的安全问题从而成为研究的热点。现阶段聚合物固体电解质还存在锂离子电导率较低,电化学窗口较窄的问题,为了提高聚合物固体电解质低温离子电导率,进一步促进聚合物锂离子电池的发展,本文设计和使用物理共混、无机掺杂和原位聚合等改性方法对聚环氧乙烷(PEO)基聚合物电解质体系进行了改性研究,制备出两种具有安全性高、电化学性能稳定的新型聚合物固体电解质。具体研究结果如下:1.将无定型聚碳酸丙烯酯(PPC)材料与PEO以不同比例进行物理共混,然后在确定比例下改变PEO的分子量,最后在聚合物基体中掺入无机固体电解质Li_(1.5)Al_(0.5)Ge_(1.5)(PO_4)_3(LAGP)。实验成功制备了具有较高离子电导率的新型复合固体聚合物电解质PPC-PEO 10W[5:5]-1%wt LAGP,在30 ~oC时其离子电导率达到了8.79×10~(-5) S cm~(-1),并且具有良好的电化学性能。在60 ~oC下,测试了其组装的LiFePO_4/Li全固态锂扣式电池,在0.1,0.2,0.5和1 C倍率时,电池的首次放电比容量分别为152.9,135.1,114.9和99.1mAh g~(-1)。在0.5 C倍率下,700次循环后电池依然具有良好的容量保持率达到88.2%(103.1mAh g~(-1)),在1 C倍率下500次循环后的容量保持率仍为73.4%。2.使用原位聚合的方法将聚(乙二醇)甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMEM)和双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LTFSI)混合后进行光固化聚合,成功制备出具有梳状结构的新型固体聚合物电解质。在30 ~oC时,poly-PEGMEM 950聚合物固体电解质的离子电导率达到1.44×10~(-4) S cm~(-1),并且具有较宽的电化学窗口(5V)。此外,在60 ~oC时,组装的LiFePO_4/Li扣式电池,在0.1,0.2,0.5和1 C倍率下首次放电比容量分别达到163.2,147.7,137.3和108.7 mAh g~(-1)。在30 ~oC时,组装的扣式电池仍然能正常工作,其在0.05,0.1,0.2和0.5 C倍率下的首次放电比容量分别为140.5,133.5,107.7和55.6 mAh g~(-1)。最重要的是,使用poly-PEGMEM 950聚合物固体电解质组装的3.5×7 cm软包电池在30 ~oC的工作温度下依然具有良好的循环稳定性,其在0.2 C倍率下,首次放电比容量达到137.5 mAh g~(-1),100次循环后容量保持率仍达84.4%,在0.5 C倍率下100次循环后保持率达到95.5%。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912;TQ317
【图文】：

图 1-1 典型的锂离子电池工作原理图[4]Fig.1-1 Schematic diagram of typical lithium ion battery态电池简介锂离子二次电池是锂离子二次电池的一种（以下简称作原理同锂离子二次电池相一致。全固态电池的发展始几十年的时间里得到了显著的发展[5, 6]。与传统锂离子二电池最大的特点是使用固态电解质代替传统有机电解液如图 1-2 所示。使用固态电解质不仅可以有效的消除电，提高电池的安全性能；而且固态电解质还起到电解液得电池的制备工艺更加简便。固态电解质由于其本身具以抵抗一定的外力形变并且能有效阻止锂枝晶生长。此较高的热分解温度，能够在较大的温度范围内工作。由

图 1-2 全固态电池的构造图[9]Fig.1-2 Schematic illustration of an all-solid state lithium cell传统液态电解液的室温电导率能达到 10-3S·cm-1数量级以上，因此理想的态电解质材料必须具备较高的离子电导率[3, 10]。经过数十年的发展，已经发了很多适合锂离子传输的优良导体，根据它们组成成分的不同主要分为无机体电解质和有聚合物固态电解质两个大类。目前部分固体电解质的离子电导已经达到较高水平，图 1-3 为一些常见的固体电解质与液态电解质对比图。

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本文编号：2723622