锂离子电池用硅甲氧基聚环氧丙烷电解质的制备和性能表征

发布时间：2017-03-28 18:10

  本文关键词：锂离子电池用硅甲氧基聚环氧丙烷电解质的制备和性能表征，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：聚合物电解质是锂离子电池的关键组成部分之一,具有隔绝正负极片、避免电池短路和提供锂离子传输的作用。本论文通过添加液体增塑剂、无机纳米材料和塑性晶体设计并制备了以硅甲基甲氧基封端的低聚环氧丙烷(BSPPO)为基体凝胶、复合凝胶、复合固态聚合物电解质。采用红外光谱(FTIR)、差示扫描(DSC)、热重分析(TGA)、交流阻抗、线性伏安扫描(LSV)、极化电流-时间曲线等方法分别对聚合物电解质的结构、物理性能、电化学性能及电池性能进行了测试。该聚合物电解质不仅表现出较高的力学强度和热稳定性,还具有较高电化学稳定性,良好的离子电导率以及高的离子迁移数。主要研究内容如下:(1)化学交联法制备了BSPPO基凝胶聚合物电解质(BSPPO-LiBOBPC),并且考察了聚合物电解质结构与性能的关系。研究结果表明,当聚合物电解质中-O/Li摩尔比为8:1,PC质量分数为15%时,其室温离子电导率最高,可达7.55×10-4 S cm-1,此时,其具有较宽的电化学稳定窗口(4.6 V vs.Li+/Li),高的锂离子迁移数(tLi+=0.56),良好的力学强度(1.12 MPa)和热稳定性。Li-LiFePO4电池具有良好的循环稳定性和倍率性能,1000次循环后容量保持率为80%,在2 C下放电容量为80 mAh g-1。(2)添加纳米Al2O3制备了BSPPO基复合凝胶聚合物电解质(Al2O3-BSPPO-LiBOB-PC)。研究结果表明,当Al2O3纳米粒子质量分数为15%时,该凝胶聚合物电解质室温离子电导率最高,可达1.1×10-3 S cm-1,电化学稳定窗口为4.8 V(vs.Li+/Li),离子迁移数为0.61,同时表现出较高的拉伸强度(1.53MPa)和良好的热稳定性。Li-LiFePO4电池具有良好的循环稳定性和倍率性能,100次循环后容量保持率为95%,在2 C下放电容量为95 mAh g-1。说明纳米Al2O3不仅提高电解质的力学强度,而且还改善了电解质的离子电导率以及其与金属锂的界面稳定性。(3)化学交联法制备了掺杂塑性晶体丁二腈的BSPPO基复合固态聚合物电解质(BSPPO-SN-Li BOB),丁二腈的加入有效的提高了聚合物电解质的离子电导率。研究结果表明,当丁二腈含量为30 wt%时,该聚合物电解质室温离子电导率最高,可达5.3×10-4 S cm-1,此时,聚合物电解质室温和高温下都表现出良好的电化学稳定性(5 V vs.Li+/Li),较高的锂离子迁移数(25℃下tLi+为0.24,50℃下tLi+为0.32,80℃下tLi+为0.42)以及良好的热稳定性。LiLiFePO4电池在25℃下表现出较好的循环稳定性(放电倍率:0.1 C),50次循环后容量保持率为96.3%;50℃和80℃下电池表现出良好循环稳定性(放电倍率:0.5 C)和倍率性能,100次循环后容量保持率分别为92%和90%,在1 C下放电容量分别为103 mAh g-1和112.8 mAh g-1。Li-Li Fe0.2Mn0.8PO4电池在50℃下表现出较好的循环稳定性(放电倍率:0.5 C)和优异的倍率性能,200次循环后容量保持率为81%,在3 C下放电容量为91.6 mAh g-1。
【关键词】：聚合物电解质 离子电导率 锂离子迁移数 电化学窗口 锂电池
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-29
• 1.1 引言11
• 1.2 锂离子电池概述11-15
• 1.2.1 锂离子电池的发展历程11-12
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理12-13
• 1.2.3 锂离子电池材料13-15
• 1.2.3.1 正极材料14
• 1.2.3.2 负极材料14
• 1.2.3.3 隔膜14
• 1.2.3.4 电解质14-15
• 1.2.4 锂离子电池的优点15
• 1.2.5 锂离子电池的研究现状15
• 1.3 聚合物电解质15-27
• 1.3.1 聚合物电解质的发展历程15-16
• 1.3.2 聚合物电解质的优点16-17
• 1.3.3 聚合物电解质分类17-20
• 1.3.3.1 固态聚合物电解质17
• 1.3.3.2 凝胶聚合物电解质17-18
• 1.3.3.3 复合聚合物电解质18-19
• 1.3.3.4 其他聚合物电解质19-20
• 1.3.4 聚合物电解质组成20-27
• 1.3.4.1 聚合物和增塑剂20-26
• 1.3.4.2 锂盐26-27
• 1.4 本论文研究目的和意义27-28
• 1.5 本论文的研究思路和内容28-29
• 2 实验部分29-34
• 2.1 实验原料及主要仪器设备29-30
• 2.1.1 实验原料及试剂29-30
• 2.1.2 实验仪器30
• 2.2 极片的制备30-31
• 2.3 性能测试31-34
• 2.3.1 物理性能31-32
• 2.3.1.1 红外光谱（FTIR）31
• 2.3.1.2 交联密度31
• 2.3.1.3 机械强度31-32
• 2.3.1.4 热性能32
• 2.3.2 电化学性能32-34
• 2.3.2.1 界面稳定性32
• 2.3.2.2 离子电导率32-33
• 2.3.2.3 电化学稳定窗口33
• 2.3.2.4 锂离子迁移数33-34
• 3 BSPPO基凝胶聚合物电解质的制备和表征34-50
• 3.1 引言34-35
• 3.2 实验部分35-36
• 3.2.1 凝胶聚合物电解质的制备35
• 3.2.2 电池的组装35-36
• 3.2.3 电池性能测试36
• 3.3 结果与讨论36-48
• 3.3.1 聚合物电解质聚合36-39
• 3.3.1.1 聚合物电解质溶胀36
• 3.3.1.2 红外光谱36-37
• 3.3.1.3 交联密度37-38
• 3.3.1.4 -O/Li摩尔比与聚合时间关系38-39
• 3.3.1.5 聚合温度与聚合时间关系39
• 3.3.2 力学强度39
• 3.3.3 热性能39-40
• 3.3.4 界面稳定性40-41
• 3.3.5 离子电导率41-43
• 3.3.5.1 锂盐量的优化41-42
• 3.3.5.2 增塑剂量的优化42-43
• 3.3.5.3 离子电导率与温度关系43
• 3.3.6 电化学稳定窗口43-44
• 3.3.7 锂离子迁移数44-45
• 3.3.8 电池性能45-48
• 3.3.8.1 循环性能45-46
• 3.3.8.2 倍率性能46-47
• 3.3.8.3 软包电池性能47-48
• 3.4 本章小结48-50
• 4 BSPPO基复合凝胶聚合物电解质的制备和表征50-59
• 4.1 引言50
• 4.2 实验部分50-51
• 4.2.1 复合凝胶聚合物电解质的制备50-51
• 4.2.2 电池的组装51
• 4.2.3 电池性能测试51
• 4.3 结果与讨论51-57
• 4.3.1 离子电导率51-52
• 4.3.2 力学强度52-53
• 4.3.3 热性能53-54
• 4.3.4 电化学稳定窗口54
• 4.3.5 锂离子迁移数54-55
• 4.3.6 电池性能55-57
• 4.4 本章小结57-59
• 5 BSPPO基复合固态聚合物电解质的制备和表征59-72
• 5.1 引言59-60
• 5.2 实验部分60-61
• 5.2.1 复合固态聚合物电解质的制备60-61
• 5.2.2 电池的组装61
• 5.2.3 电池性能测试61
• 5.3 结果与讨论61-70
• 5.3.1 红外光谱61-62
• 5.3.2 热性能62-63
• 5.3.3 离子电导率63-65
• 5.3.3.1 丁二腈量的优化63-64
• 5.3.3.2 离子电导率与温度关系64-65
• 5.3.4 电化学稳定窗口65
• 5.3.5 锂离子迁移数65-66
• 5.3.6 电池性能66-70
• 5.3.6.1 室温电池性能66-67
• 5.3.6.2 高温电池性能67-70
• 5.4 本章小结70-72
• 结论72-75
• 参考文献75-85
• 致谢85-87
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文87-91

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