功能化聚合物复合结构在锂氧电池中的应用
发布时间：2021-08-30 05:07
随着市场对高能量、高密度电池的需求,商业化的锂离子电池已不能满足要求,锂空气电池在众多可充电的锂二次电池中具有最高的理论能量密度（3500 Wh kg-1）,表现出了非常可观的应用前景。但基于传统液体电解质的锂空气电池在安全性、库伦效率和长循环寿命等方面面临着许多问题。聚合物电解质在锂空气电池中的运用能够有效改善传统液体电解质所引发的问题。本文通过合理的实验方案设计了QS-NP准固态聚合物电解质体系并探究了其电化学性能以及该聚合物电解质对于锂空气电池电化学性能的影响。该体系中由溶液浇铸法制备的厚度在15μm-30μm的全氟磺酸膜保证了体系的机械强度,能够有效抵抗正极产生的强氧化性物质过氧化锂的攻击以及阻止阴离子和一些大分子的迁移。经液体电解质改性的聚偏氟乙烯-六氟丙烯膜与金属锂负极表现出良好的相容性。QS-NP准固态聚合物电解质在200℃没有发生明显的分解,表明其具有优异的热稳定性。此外,在25±2℃环境条件下,QS-NP准固态聚合物电解质表现出5.1的高锂离子迁移数和5.1V的宽电化学窗口。基于QS-NP准固态聚合物电解的锂氧电池在25±2℃环境条件下表现出相对优异的循环稳定性且能够...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂空气电池的四种不同结构[6]
青岛科技大学研究生学位论文3图1-2发生在非水系锂空气电池中的工作机理[5]Figure1-2Workingmechanismthatoccursinnon-aqueouslithiumairbatteries1.2.2锂空气面临的问题虽然锂空气电池具有非常可观的运用前景，但目前，锂空气电池在负极、电解质及多孔正极方面均临着以下诸多问题[15]：（1）锂空气电池对环境的要求比较高，空气中的水分、二氧化碳等容易通过多孔正极的开放式结构进入负极，导致锂金属负极的快速腐蚀和电池失效，所以，目前文献中多报道以纯氧作为正极[16-18]。（2）在基于常规液体电解质的锂空气电池中有机电解液易与活泼金属锂发生反应，这在很大程度上导致了许多副产物的产生。此外，基于有机液体电解质的锂空气电池在循环过程由于锂的沉积不均匀，很容易导致死锂和锂枝晶的产生，最终影响电池的循环稳定性[19]。（3）非水体系锂空气电池通常采用有机液体电解质，主要是一些醚类、聚硅氧化合物、酰胺类和砜类等[20-21]。有机电解液不稳定，不能在电池中长期稳定的存在，容易受到正极强氧化性放电产物过氧化锂的攻击，导致电解液的分解和副产物的形成，最终影响锂空气电池的循环性能[22]。（4）过氧化锂是一种电子绝缘体，锂空气电池在放电过程中电压为2.7V（vsLi+/Li）时生成过氧化锂，但其还原却需要高达4.5V的高电压，这种过电压差会引起电池其它组分的分解，影响电池性能[23]。（5）正极作为构建完整电池的重要组分，其通常被认为是电池电化学性能表现优劣的主要因素。在锂空气电池中，正极不仅是发生氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的场所，而且还为放电产物提供储存场所。因此，合理的电
毕住?1.3.2固态聚合物电解质固态电解质代替传统液体电解质是改善液体电解质在安全性差、稳定性差的等问题方面的有效手段之一。固态电解质相对于液体电解质具有更优异的电化学稳定性、机械强度、热稳定性、锂离子迁移数以及更低的可燃性[50-52]。M.Sasikumar等[53]将10wt%聚醋酸乙烯（PVAc）、40wt%聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、10wt%双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）/40wt%碳酸乙烯酯（EC）以及具有立方晶相的钛酸钡（BaTiO3,BT）溶解于丙酮的均相溶液通过溶液浇铸的方法制备一种新型的复合固态聚合物电解质CSPEs（如图1-3所示）。钛酸钡本身的高介电常数对于促进锂盐解离以增加聚合物电解质基质中的电荷载流子浓度尤其理想，且其添加质量分数为7.5%时的CSPE表现出相对优异的性能。在CSPE中，锂阳离子与BT表面上的大体积阴离子TFSI之间的相互作用可能会降低SPE基质中离子对的相互作用，并阻碍TFSI阴离子的移动，从而导致其离子传导更高，此外，立方结构的BT可以与聚合物链的Lewis酸中心反应导致CSPE的结晶度降低，进一步提高了锂离子迁移率，这些相互作用使得CSPE在室温下表现出高离子导电率及高锂离子迁移数。另外，CSPE还表现出优异的热稳定性、良好的机械强度以及稳定的电化学窗口。图1-3含7.5wt%钛酸钡的CSPE（a）光学照片和（b）场发射扫描电镜图[53]Figure1-3(a)opticalphotographand(b)fieldemissionscanningelectronmicroscopeimageofCSPEcontaining7.5wt%bariumtitanate.
【参考文献】：
期刊论文
[1]从商业化角度看锂-空气电池的发展[J]. 张沁茗,谢召军,周震. 过程工程学报. 2019(05)
[2]固体电解质在锂空气电池中的应用[J]. 孙浩博,张立,赵尚骞,张刚宁,刘进萍. 电源技术. 2019(03)
[3]锂离子电池硬碳负极材料的研究进展[J]. 李玉龙,刘瑞峰,周颖,郭宏毅,贺磊,邱介山. 材料导报. 2017(S1)
本文编号：3372127
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂空气电池的四种不同结构[6]
青岛科技大学研究生学位论文3图1-2发生在非水系锂空气电池中的工作机理[5]Figure1-2Workingmechanismthatoccursinnon-aqueouslithiumairbatteries1.2.2锂空气面临的问题虽然锂空气电池具有非常可观的运用前景，但目前，锂空气电池在负极、电解质及多孔正极方面均临着以下诸多问题[15]：（1）锂空气电池对环境的要求比较高，空气中的水分、二氧化碳等容易通过多孔正极的开放式结构进入负极，导致锂金属负极的快速腐蚀和电池失效，所以，目前文献中多报道以纯氧作为正极[16-18]。（2）在基于常规液体电解质的锂空气电池中有机电解液易与活泼金属锂发生反应，这在很大程度上导致了许多副产物的产生。此外，基于有机液体电解质的锂空气电池在循环过程由于锂的沉积不均匀，很容易导致死锂和锂枝晶的产生，最终影响电池的循环稳定性[19]。（3）非水体系锂空气电池通常采用有机液体电解质，主要是一些醚类、聚硅氧化合物、酰胺类和砜类等[20-21]。有机电解液不稳定，不能在电池中长期稳定的存在，容易受到正极强氧化性放电产物过氧化锂的攻击，导致电解液的分解和副产物的形成，最终影响锂空气电池的循环性能[22]。（4）过氧化锂是一种电子绝缘体，锂空气电池在放电过程中电压为2.7V（vsLi+/Li）时生成过氧化锂，但其还原却需要高达4.5V的高电压，这种过电压差会引起电池其它组分的分解，影响电池性能[23]。（5）正极作为构建完整电池的重要组分，其通常被认为是电池电化学性能表现优劣的主要因素。在锂空气电池中，正极不仅是发生氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的场所，而且还为放电产物提供储存场所。因此，合理的电
毕住?1.3.2固态聚合物电解质固态电解质代替传统液体电解质是改善液体电解质在安全性差、稳定性差的等问题方面的有效手段之一。固态电解质相对于液体电解质具有更优异的电化学稳定性、机械强度、热稳定性、锂离子迁移数以及更低的可燃性[50-52]。M.Sasikumar等[53]将10wt%聚醋酸乙烯（PVAc）、40wt%聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、10wt%双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）/40wt%碳酸乙烯酯（EC）以及具有立方晶相的钛酸钡（BaTiO3,BT）溶解于丙酮的均相溶液通过溶液浇铸的方法制备一种新型的复合固态聚合物电解质CSPEs（如图1-3所示）。钛酸钡本身的高介电常数对于促进锂盐解离以增加聚合物电解质基质中的电荷载流子浓度尤其理想，且其添加质量分数为7.5%时的CSPE表现出相对优异的性能。在CSPE中，锂阳离子与BT表面上的大体积阴离子TFSI之间的相互作用可能会降低SPE基质中离子对的相互作用，并阻碍TFSI阴离子的移动，从而导致其离子传导更高，此外，立方结构的BT可以与聚合物链的Lewis酸中心反应导致CSPE的结晶度降低，进一步提高了锂离子迁移率，这些相互作用使得CSPE在室温下表现出高离子导电率及高锂离子迁移数。另外，CSPE还表现出优异的热稳定性、良好的机械强度以及稳定的电化学窗口。图1-3含7.5wt%钛酸钡的CSPE（a）光学照片和（b）场发射扫描电镜图[53]Figure1-3(a)opticalphotographand(b)fieldemissionscanningelectronmicroscopeimageofCSPEcontaining7.5wt%bariumtitanate.
【参考文献】：
期刊论文
[1]从商业化角度看锂-空气电池的发展[J]. 张沁茗,谢召军,周震. 过程工程学报. 2019(05)
[2]固体电解质在锂空气电池中的应用[J]. 孙浩博,张立,赵尚骞,张刚宁,刘进萍. 电源技术. 2019(03)
[3]锂离子电池硬碳负极材料的研究进展[J]. 李玉龙,刘瑞峰,周颖,郭宏毅,贺磊,邱介山. 材料导报. 2017(S1)
本文编号：3372127
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