液晶聚合物/蒙脱土杂化材料/PEO基固体电解质的研究
发布时间：2021-10-22 06:04
锂离子电池的应用越来越广泛,然而,液态电解质作为其重要的组成部分存在泄露引发电池爆炸等问题极大地限制了锂电池的应用,因此用固体电解质替代液态电解质解决锂电池漏液的问题成为研究的热点。其中质量轻、柔性的固体聚合物电解质是研究的热点之一。聚环氧乙烷（PEO）因其电导率高被广泛应用于固体聚合物电解质研究中,但是由于其结晶度高,锂离子运动受限,室温电导率低、热稳定性和机械性能较差的问题尚未解决,因此持续深入研究具有理论和应用意义。设计用液晶聚合物插层蒙脱土制成的杂化材料（LCT）作为功能性掺杂剂,采用自动刮膜技术制备LCT掺杂PEO、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/PEO、聚碳酸亚丙酯（PPC）/PEO三个体系的聚合物电解质,并对电解质的结构、结晶度、电导率和机械性能等进行了测试与表征。针对电解质在锂电池使用过程存在易燃易爆的安全隐患问题,在研究过程中少见的进行了阻燃性能的测试。在PEO固体电解质体系中,随着LCT质量分数增加,PEO的结晶度有先降低后增加的趋势,LCT添加量为1.5%时,DSC与XRD测试结果显示此时体系结晶度最小,18℃时电导率最大为5.96×10-55...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚合物锂离子电池充放电示意图[33]
第1章绪论5图1.3锂离子在PEO中的传输机理Fig.1.3TransportmechanismoflithiumionsinPEO通常认为锂离子在PEO分子的非结晶区进行输运，PEO分子的结晶度在室温下比较高，结晶被认为是由于PEO螺旋聚集呈球状引起的，PEO与一般性锂盐形成的固态聚合物电解质，在室温下测得的离子电导率只有10-8到10-7数量级之间，这种情况导致其无法在锂电池中应用[36]。国内外学者经多年研究发现提高温度可以将PEO分子由晶态过渡到非晶态，从而提高电解质中的锂离子电导率与电池的整体性能，但同时发现温度升太高会改变了PEO分子中晶型的结构，这一现象劣化了PEO分子的尺寸稳定性，进而会引起聚合物电解质的力学柔性，拉伸强度等明显降低以及电化学稳定性明显变的糟糕。另外PEO基体制备聚合物电解质的电化学稳定窗口比较窄，室温下只有4.0V（vs.Li+/Li）的电化学稳定窗口，这个级别的电化学稳定窗口不是高电压的锂离子电池，无法满足工作过程中的高电压需求，是不能匹配高电压电极材料的[37]。1.2.2PEO基聚合物电解质的国内外研究进展PEO作为聚合物电解质领域的研究热点，一直受到国内外学者高度重视。1973年，Wright等人[38，39]最先介绍了聚环氧乙烷（PEO）-碱金属盐这个体系拥有离子导电性。在目前聚合物电解质市场，卓越的电化学性能和与各种锂盐都能良好的溶解性能使得PEO基体成为研究人员憧憬期待的目标[40，41]。到了1979年，Armand等人[42]在PEO基电解质的基础之上，成功制备了全固态聚合物锂离子电池。一直以来PEO基聚合物电解质在常温下的离子电导率低、机械性能差，国内外研究人员主要通过抑制PEO结晶来提高它的非晶相百分比，从而提高PEO的电导率。相关的改性方法主要包含共混、共聚、接枝、交联、加入增塑剂和加入无机填料等。（1）?
沈阳工业大学硕士学位论文142.2实验研究内容固体电解质的制备工艺流程示意图如图2.1所示。图2.1固态聚合物电解质制备过程示意图Fig.2.1Schematicdiagramofthesolidpolymerelectrolytepreparationprocess2.2.1LCT/PEO固体电解质的制备首先将PEO与液晶聚合物插层蒙脱土杂化材料（LCT）在实验室烘箱中干燥12小时尽最大可能去除水分。PEO溶于二氯甲烷静置密封于碘量瓶中，磁力搅拌2h。将LCT分别按六种不同质量分数（0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）为与LiClO4溶解于3ml的N-甲基吡咯烷酮（NMP）中并在加热条件下搅拌，震荡。将LCT和LiClO4的混合溶液加入到PEO溶液中混合磁力搅拌，5h后得到粘稠均匀的混合溶液。将上述所制备的混合型溶液倾倒于玻璃板上，使用自动刮膜机刮膜，刮刀厚度设置为1.0mm，刮刀速度为20mm/s，得到均质薄膜。制得的电解质膜水平转移至干燥箱中45℃干燥3h后，用工具将膜剥离。最后在真空干燥箱中40℃干燥12h尽可能除去溶剂密封保存。2.2.2LCT/PMMA/PEO固体电解质的制备首先将PEO、PMMA与LCT在实验室烘箱中干燥12小时尽可能去除水分。PEO（70wt.%）溶于二氯甲烷静置密封于碘量瓶中，磁力搅拌2h。PMMA（30wt.%）溶于二氯甲烷密封静置于碘量瓶中2h。然后将PMMA溶液转移到PEO溶液中得到混合型溶液，将混合溶液进行磁力搅拌2h至均匀。将LCT分别按六种不同质量分数（0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）为与LiClO4溶解于3ml的N-甲基吡咯烷酮中并加热搅拌，震荡。将LCT和LiClO4的混合型溶液加入到PMMA/PEO溶液混合磁力搅拌
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂电池用固态电解质研究进展[J]. 王蔼廉,计文希,陈婧,王晓鹏,张韬毅,张辽云. 高分子通报. 2019(09)
[2]石榴石型全固态锂离子电池复合正极研究进展[J]. 郭现伟,郝良威,王永涛,孙芙蓉,尉海军. 硅酸盐学报. 2019(10)
[3]固态电池研究进展[J]. 李杨,丁飞,桑林,刘兴江. 电源技术. 2019(07)
[4]共振拉曼光谱在聚合物研究中的应用[J]. 区洁美,陈旭东. 合成材料老化与应用. 2019(02)
[5]PEO基聚合物电解质在锂离子电池中的研究进展[J]. 孙宗杰,丁书江. 科学通报. 2018(22)
[6]聚乳酸的增韧阻燃性能[J]. 张爱玲,姜辉,关银燕,王松,李三喜. 沈阳工业大学学报. 2018(02)
[7]聚苯并咪唑-锂盐-聚乙二醇单甲醚共混全固态聚合物电解质的制备及性能[J]. 梁乃强,房建华,郭晓霞,谢一凡. 功能高分子学报. 2017(02)
[8]聚氧化乙烯/高岭石聚合物电解质的制备与表征[J]. 甄冉,迟茜文,王星元,杨阔,蒋引珊,李芳菲,薛兵. 高分子学报. 2017(08)
[9]全固态锂离子电池关键材料研究进展[J]. 李杨,丁飞,桑林,钟海,刘兴江. 储能科学与技术. 2016(05)
[10]蒙脱土对PEO-PDMS基聚合物电解质的性能影响[J]. 李月姣,吴锋,胡仁超,陈实. 北京理工大学学报. 2016(06)
博士论文
[1]凝胶聚合物电解质及锂离子电池性能研究[D]. 彭晓丽.电子科技大学 2018
[2]新型锂离子电池聚合物电解质制备及性能研究[D]. 张鹏.复旦大学 2010
[3]锂离子电池中聚合物电解质多孔膜的制备及其结构与性能研究[D]. 操建华.浙江大学 2005
硕士论文
[1]MMA-OE基固态聚合物电解质的研究[D]. 张佳妮.西安理工大学 2019
[2]含氟磺酰基亚胺锂盐阴离子结构对固态聚合物电解质性能的影响[D]. 王鹏.华中科技大学 2019
[3]支化固态聚合物电解质的制备及锂离子电池性能研究[D]. 许裕忠.南昌航空大学 2018
[4]锂电池用新型聚硅氧烷基固体电解质的制备及其性能研究[D]. 刘明珠.浙江大学 2018
[5]PEO基聚合物电解质的制备工艺及性能研究[D]. 张楠.沈阳工业大学 2018
[6]锂离子电池高电压电解液的研究[D]. 张亮.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2017
[7]聚环氧乙烷（PEO）聚合物电解质的电性能研究[D]. 周乔.沈阳工业大学 2017
[8]锂离子电池复合型多孔聚合物电解质的制备及其性能研究[D]. 冯铁柱.大连理工大学 2016
[9]锂离子电池PPC基复合聚合物电解质的制备及其性能研究[D]. 黄雪妍.华南农业大学 2016
[10]掺杂液晶离聚物的PEO基固态聚合物电解质导电性研究[D]. 刘骥驰.沈阳工业大学 2016
本文编号：3450524
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
聚合物锂离子电池充放电示意图[33]
第1章绪论5图1.3锂离子在PEO中的传输机理Fig.1.3TransportmechanismoflithiumionsinPEO通常认为锂离子在PEO分子的非结晶区进行输运，PEO分子的结晶度在室温下比较高，结晶被认为是由于PEO螺旋聚集呈球状引起的，PEO与一般性锂盐形成的固态聚合物电解质，在室温下测得的离子电导率只有10-8到10-7数量级之间，这种情况导致其无法在锂电池中应用[36]。国内外学者经多年研究发现提高温度可以将PEO分子由晶态过渡到非晶态，从而提高电解质中的锂离子电导率与电池的整体性能，但同时发现温度升太高会改变了PEO分子中晶型的结构，这一现象劣化了PEO分子的尺寸稳定性，进而会引起聚合物电解质的力学柔性，拉伸强度等明显降低以及电化学稳定性明显变的糟糕。另外PEO基体制备聚合物电解质的电化学稳定窗口比较窄，室温下只有4.0V（vs.Li+/Li）的电化学稳定窗口，这个级别的电化学稳定窗口不是高电压的锂离子电池，无法满足工作过程中的高电压需求，是不能匹配高电压电极材料的[37]。1.2.2PEO基聚合物电解质的国内外研究进展PEO作为聚合物电解质领域的研究热点，一直受到国内外学者高度重视。1973年，Wright等人[38，39]最先介绍了聚环氧乙烷（PEO）-碱金属盐这个体系拥有离子导电性。在目前聚合物电解质市场，卓越的电化学性能和与各种锂盐都能良好的溶解性能使得PEO基体成为研究人员憧憬期待的目标[40，41]。到了1979年，Armand等人[42]在PEO基电解质的基础之上，成功制备了全固态聚合物锂离子电池。一直以来PEO基聚合物电解质在常温下的离子电导率低、机械性能差，国内外研究人员主要通过抑制PEO结晶来提高它的非晶相百分比，从而提高PEO的电导率。相关的改性方法主要包含共混、共聚、接枝、交联、加入增塑剂和加入无机填料等。（1）?
沈阳工业大学硕士学位论文142.2实验研究内容固体电解质的制备工艺流程示意图如图2.1所示。图2.1固态聚合物电解质制备过程示意图Fig.2.1Schematicdiagramofthesolidpolymerelectrolytepreparationprocess2.2.1LCT/PEO固体电解质的制备首先将PEO与液晶聚合物插层蒙脱土杂化材料（LCT）在实验室烘箱中干燥12小时尽最大可能去除水分。PEO溶于二氯甲烷静置密封于碘量瓶中，磁力搅拌2h。将LCT分别按六种不同质量分数（0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）为与LiClO4溶解于3ml的N-甲基吡咯烷酮（NMP）中并在加热条件下搅拌，震荡。将LCT和LiClO4的混合溶液加入到PEO溶液中混合磁力搅拌，5h后得到粘稠均匀的混合溶液。将上述所制备的混合型溶液倾倒于玻璃板上，使用自动刮膜机刮膜，刮刀厚度设置为1.0mm，刮刀速度为20mm/s，得到均质薄膜。制得的电解质膜水平转移至干燥箱中45℃干燥3h后，用工具将膜剥离。最后在真空干燥箱中40℃干燥12h尽可能除去溶剂密封保存。2.2.2LCT/PMMA/PEO固体电解质的制备首先将PEO、PMMA与LCT在实验室烘箱中干燥12小时尽可能去除水分。PEO（70wt.%）溶于二氯甲烷静置密封于碘量瓶中，磁力搅拌2h。PMMA（30wt.%）溶于二氯甲烷密封静置于碘量瓶中2h。然后将PMMA溶液转移到PEO溶液中得到混合型溶液，将混合溶液进行磁力搅拌2h至均匀。将LCT分别按六种不同质量分数（0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）为与LiClO4溶解于3ml的N-甲基吡咯烷酮中并加热搅拌，震荡。将LCT和LiClO4的混合型溶液加入到PMMA/PEO溶液混合磁力搅拌
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂电池用固态电解质研究进展[J]. 王蔼廉,计文希,陈婧,王晓鹏,张韬毅,张辽云. 高分子通报. 2019(09)
[2]石榴石型全固态锂离子电池复合正极研究进展[J]. 郭现伟,郝良威,王永涛,孙芙蓉,尉海军. 硅酸盐学报. 2019(10)
[3]固态电池研究进展[J]. 李杨,丁飞,桑林,刘兴江. 电源技术. 2019(07)
[4]共振拉曼光谱在聚合物研究中的应用[J]. 区洁美,陈旭东. 合成材料老化与应用. 2019(02)
[5]PEO基聚合物电解质在锂离子电池中的研究进展[J]. 孙宗杰,丁书江. 科学通报. 2018(22)
[6]聚乳酸的增韧阻燃性能[J]. 张爱玲,姜辉,关银燕,王松,李三喜. 沈阳工业大学学报. 2018(02)
[7]聚苯并咪唑-锂盐-聚乙二醇单甲醚共混全固态聚合物电解质的制备及性能[J]. 梁乃强,房建华,郭晓霞,谢一凡. 功能高分子学报. 2017(02)
[8]聚氧化乙烯/高岭石聚合物电解质的制备与表征[J]. 甄冉,迟茜文,王星元,杨阔,蒋引珊,李芳菲,薛兵. 高分子学报. 2017(08)
[9]全固态锂离子电池关键材料研究进展[J]. 李杨,丁飞,桑林,钟海,刘兴江. 储能科学与技术. 2016(05)
[10]蒙脱土对PEO-PDMS基聚合物电解质的性能影响[J]. 李月姣,吴锋,胡仁超,陈实. 北京理工大学学报. 2016(06)
博士论文
[1]凝胶聚合物电解质及锂离子电池性能研究[D]. 彭晓丽.电子科技大学 2018
[2]新型锂离子电池聚合物电解质制备及性能研究[D]. 张鹏.复旦大学 2010
[3]锂离子电池中聚合物电解质多孔膜的制备及其结构与性能研究[D]. 操建华.浙江大学 2005
硕士论文
[1]MMA-OE基固态聚合物电解质的研究[D]. 张佳妮.西安理工大学 2019
[2]含氟磺酰基亚胺锂盐阴离子结构对固态聚合物电解质性能的影响[D]. 王鹏.华中科技大学 2019
[3]支化固态聚合物电解质的制备及锂离子电池性能研究[D]. 许裕忠.南昌航空大学 2018
[4]锂电池用新型聚硅氧烷基固体电解质的制备及其性能研究[D]. 刘明珠.浙江大学 2018
[5]PEO基聚合物电解质的制备工艺及性能研究[D]. 张楠.沈阳工业大学 2018
[6]锂离子电池高电压电解液的研究[D]. 张亮.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2017
[7]聚环氧乙烷（PEO）聚合物电解质的电性能研究[D]. 周乔.沈阳工业大学 2017
[8]锂离子电池复合型多孔聚合物电解质的制备及其性能研究[D]. 冯铁柱.大连理工大学 2016
[9]锂离子电池PPC基复合聚合物电解质的制备及其性能研究[D]. 黄雪妍.华南农业大学 2016
[10]掺杂液晶离聚物的PEO基固态聚合物电解质导电性研究[D]. 刘骥驰.沈阳工业大学 2016
本文编号：3450524
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