纤维素基凝胶聚合物电解质和粘结剂的制备及其在锂离子电池中的应用研究

发布时间：2020-08-14 22:39

【摘要】：随着绿色环保,节能减排和可持续发展理念的深入,发展推行便捷式,高效无污染的储能材料受到越来越多科研人员的青睐和关注。由于其优异的综合性能,包括高能量密度,高的操作电压和循环稳定,工作时长,高效等优点,锂离子电池市场的实施和运行在智能电网和新能源汽车等领域逐年提高并得到大力推行。传统商业化的液体锂离子电池,在组装和使用过程中易产生泄漏、鼓包、燃烧甚至爆炸,内部短路等安全问题。同时,隔膜主要采用聚烯烃材料,难以降解,造成严重的白色污染。因此,开发新型环境友好的天然高分子聚合物电解质迫在眉睫,既可避免液态电解质引起的诸多安全问题和环境污染问题,同时提高电池的能量密度,使电池朝多元化和新型环保,轻便的方向发展。而纤维素作为天然友好型材料,来源丰富,无毒,价格低廉,奠定其在聚合物锂离子电池中的研究基础。在本实验中,采用简单快速的溶液浇铸成膜法制得纤维素凝胶膜(CE)。并对所制得的纤维素聚合物电解质(GCE)进行基础物理性能表征和电化学性能表征。其中当交联剂环氧氯丙烷(ECH)含量为5%时,纤维素膜不仅呈现出强的拉伸断裂强度14.61 MPa,同时吸液率高达540%。室温下,该纤维素凝胶聚合物电解质(GCE-5)的离子电导率和锂离子迁移数分别为6.34×10-3S cm-1和0.82,同时具有良好的界面相容性与稳定的电化学窗口 4.6 V。在2.8-4.2V工作电压下,电池以0.2 C的倍率循环50次,首圈放电容量为145 mAh g-1,经过50圈循环仍然有121mAhg-1的比容量,保持率为90%。说明该种交联型纤维素凝胶电解质可被应用到锂离子电池当中。本文还通过原位聚合的方法制得交联型甲基纤维素粘结剂(MCE),探讨了不同ECH含量下的MCE的粘结强度、吸液性、热力学性能和电池循环充放电前后的极片扫描电镜等,可知当ECH含量为7%时(MCE-7),LiFePO4/MCE-7复合电极的吸液率为36.38%,热分解温度为300℃,电池在充放电前后电极材料保持均一稳定的结构和良好的界面相容性。LiFePO4/MCE-7电极电池在2.5-4.2 V电压范围内,以0.2 C(1 C=170 mA g-1)的电流密度下循环50圈,首圈放电容量为149.5 mAh g-1,循环稳定且展示出优异的倍率性能。
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912;TQ427.26;TQ317
【图文】：

新型的水系粘结剂应用于锂离子电池也是当今新能源开发利用的子电池简介逡逑子电池的结构逡逑Ｍ所示扣式电池结构示意图，主要由正负极、隔膜和电解液组包括：钴酸锂（ＬｉＣｏＣｈ）、锰酸锂（ＬｉＭｎ０２）、磷酸铁锂（ＬｉＦｅＰＣＵ）和ｕｓ邋Ｊ邋Ｗ，扣ａ／．邋２０１０）；负极材料包含碳素材料（石墨、石墨烯等）和及硅材料等（Ｈｏｕ邋Ｘ邋Ｈ，邋ｄａ／．邋２０１０，邋Ｌｉ邋Ｈ，以ａ／．邋２００９）；常用的分离度、薄膜化的石油基聚烯经的多孔膜为主，这些分离膜材料具有使离子自由穿梭，同时机械强度大具有一定的耐酸碱性能；电解溶剂组成，常见的传统电解液锂盐分为高氯酸锂（ＬｉＣ１０４）、双三氟甲烷磺酰亚胺锂（ＬｉＴＦＳＩ）等以及碳酸酯类的有机溶剂（Ｅｔａｃ邋Ｍ？邋ｅｔ邋ａＬ邋２０１１，邋Ｆｅｍｉｃｏｌａ邋Ａ，邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００７）邋0逡逑

关注的焦点。逡逑１．３．１基本组成及工作原理逡逑聚合物锂离子电池主要由以下几部分组合，如图１－２所示，正极大多采用商业化逡逑的ＬｉＣｏＯ：：，ＬｉＦｅＰ０４及三元材料，而负极大多采用石墨电极等。传统的液态锂离子逡逑电池是由分离膜及在隔膜两端滴加电解液；聚合物电池电解质通常有“固体”和“胶逡逑体”两种形态区别。聚合物电解质可离子传输但电子绝缘，有一定的力学强度，在聚逡逑合物锂离子电池中充当电解液和分离膜的结合体。而工作原理基本相同，在电池充放逡逑电过程中锂离子在电解质材料中可逆穿梭并实现其在正负电极层中锂离子的嵌入和逡逑脱出。同时从电化学角度考虑，聚合物电解质在电池的使用过程，具备以下几种基逡逑本性能（Ｓｅｏｌ邋Ｗ邋Ｈ，邋ｅ／邋ａ／．邋２００６，Ｓｏｎｇ邋Ｊ，邋ｅ／邋ａ／．邋１９９９，邋Ｘｕ邋Ｍ，邋ｅ／邋ａ／．邋２０１４）：逡逑（１）

ｉｇ．邋１－５．邋Ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｏｆ邋ｐｏｒｏｕｓ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｅｄ邋ｍｅｍｂｒａｎｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ＰＭＭｃｏｎｔｅｎｔ．逡逑环境友好型材料用作凝胶聚合物电解质逡逑膜在锂离子电池中起到了两个方面的作用：一方面分离膜在正负电极正负电极对接造成短路，起到安全保护作用；另一方面分离膜中含有大的微孔通道，提供锂离子穿梭的路径。而根据以上提及的商业化应用的料以及常用凝胶聚合物基质ＰＥＯ、ＰＡＮ、ＰＭＭＡ和ＰＶＤＦ及其一系列，由于大量的使用聚烯烃类的隔膜材料消耗石油原料，且容易出现易漏爆炸的安全问题；同时电池在使用过程中和废弃后产生的聚烯烃隔膜材造成“白色污染”；与电极材料的界面接触性有待提高以及凝胶自身的问题。虽然采用了共混共聚、交联和纳米材料掺杂等改性方法，但是效发新型，环境友好且无污染的，可生物降解的，高性能的聚合物电解发又一热点。生物基材料（纤维素、壳聚糖、橡胶和蛋白质等）凝胶聚合纤维素材料作为取代石油基材料是最佳选择，正在被广大的研究者开

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本文编号：2793631