锂硫电池用离子液体基功能电解质研究

发布时间：2017-11-03 12:39

  本文关键词：锂硫电池用离子液体基功能电解质研究

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【摘要】：锂硫电池具有能量密度高,硫电极材料来源广泛、价格低廉等优势,是未来20年内最具有发展潜力的电池能源之一。但是,现阶段锂硫电池仍然存在着飞梭效应、放电产物沉积、锂枝晶、电解质易燃等问题,严重影响到锂硫电池的电化学性能,造成了迅速的容量衰减和安全隐患。为解决上述问题,本论文设计开发了离子液体基电解质体系,从电解质方向着手有效地改善锂硫电池的电化学性能和安全性能。本论文以双(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiTFSI)为锂盐,采用哌啶、吡咯烷等离子液体与有机醚共溶剂以不同比例混合制备系列新型锂硫电池电解质材料,并且对各电解质体系的谱学性质、电化学性能、热学性能以及其在锂硫电池中的作用机制进行了系统研究,评价出性能良好的锂硫电池用离子液体基功能电解质体系,取得了以下阶段性成果和进展:1、离子液体基锂硫电池电解质:本文分别采用N-甲基-N-丁基哌啶双(三氟甲基磺酸基酰亚胺)(PP14TFSI)和N-甲基-N-丙基吡咯双(三氟甲基磺酸基酰亚胺)(Pyr13TFSI)离子液体作为基质,以不同比例复合二乙二醇二甲醚(DEGDME)有机共溶剂,合成系列锂硫电池电解质体系。所合成的两种电解质体系都表现出了较高的电导率,在常温下均可达到锂硫电池的应用要求。其中,0.5M LiTFSI+Pyr13TFSI/DEGDME(2:1,v:v)电解质电导率达到了4.12210-3Scm-1(25℃),锂离子迁移数为0.2。此外,两种离子液体基电解质体系都表现出了良好的热稳定性,热分解温度分别为87.3℃、90.4℃,高于锂硫电池常用DOL/DME电解质体系。锂硫电池电化学循环测试结果表明电解质体系中PP14TFSI和Pyr13TFSI离子液体与DEGDME体积比为2:1时,电池具有良好的循环性能和倍率性能。其中,含PP14TFSI电解质体系的锂硫电池在0.1C充放电倍率下首周放电容量达到1042.9mAhg-1,循环100周后仍然保持在446.5mAhg-1。2、有机醚共溶剂对离子液体基电解质体系的影响:以Pyr13TFSI离子液体为基质,分别匹配链状长度不同的乙二醇二甲醚(DME)、DEGDME、三乙二醇二甲醚(TEGDME)(2:1,v:v)合成锂硫电池电解质体系。热学测试结果表明随着有机醚链长度的增加,电解质体系热分解温度逐渐升高,分别为88.7℃,90.4℃,135.76℃。电解质体系的离子电导率也随着共溶剂醚链长度的增加而增加。电池充放电测试结果显示,含有LiTFSI-Pyr13TFSI/DME和Li TFSI-Pyr13TFSI/TEGDME电解质体系的锂硫电池具有较好的循环性能。含TEGDME电解质体系的锂硫电池在0.1C充放电倍率下首周放电容量达到894.4mAhg-1,循环100周后仍然保持在556.9mAhg-1。以上研究结果表明,离子液体/有机醚共溶剂电解质体系可以作为一种新型电解质材料应用于锂硫电池中。
【关键词】：锂硫电池 电解质 离子液体 二乙二醇二甲醚 三乙二醇二甲醚
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 锂硫电池的基本原理13-15
• 1.3 锂硫电池面临的挑战15-16
• 1.4 锂硫电池电解质16-19
• 1.4.1 液态有机电解质16
• 1.4.2 固态电解质16-17
• 1.4.3 凝胶聚合物电解质17-18
• 1.4.4 离子液体电解质18-19
• 1.5 研究的背景、思路和主要内容19-21
• 1.5.1 研究的背景及思路19-20
• 1.5.2 研究的主要内容20-21
• 第2章 实验药品、仪器和表征方法21-29
• 2.1 实验药品21-22
• 2.2 实验仪器22
• 2.3 实验方法22-24
• 2.3.1 电解液的制备22-23
• 2.3.2 电极的制备23-24
• 2.3.3 扣式电池的组装24
• 2.4 物化性能表征方法24-26
• 2.4.1 可燃性能表征24
• 2.4.2 热分析测试24-25
• 2.4.3 红外光谱测试25
• 2.4.4 扫描电子显微镜测试25
• 2.4.5 X射线光电子能谱25-26
• 2.5 电化学性能表征方法26-29
• 2.5.1 离子电导率测试26
• 2.5.2 循环伏安测试26
• 2.5.3 交流阻抗测试26-27
• 2.5.4 稳态极化曲线测试27
• 2.5.5 恒电流充放电测试27-29
• 第3章 离子液体基锂硫电池电解质29-49
• 3.1 谱学性能分析29-30
• 3.2 热学性能分析30-32
• 3.2.1 可燃性能30-31
• 3.2.2 热稳定性性能31-32
• 3.3 电化学性能分析32-37
• 3.3.1 锂离子迁移数32-35
• 3.3.2 电导率35-37
• 3.4 两种离子液体基电解质体系的电化学行为37-47
• 3.4.1 循环伏安曲线37-38
• 3.4.2 首周充放电测试38-40
• 3.4.3 充放电循环性能40-42
• 3.4.4 倍率性能42-43
• 3.4.5 电池阻抗谱图43-45
• 3.4.6 扫描电镜及XPS分析45-47
• 3.5 本章小结47-49
• 第4章 有机醚共溶剂对离子液体基电解质体系的影响49-57
• 4.1 热稳定性49-50
• 4.2 电导率50-52
• 4.3 锂离子迁移数52-53
• 4.4 循环伏安53-54
• 4.5 充放电循环54-55
• 4.6 交流阻抗及扫描电镜比较55-56
• 4.7 本章小结56-57
• 结论57-59
• 参考文献59-67
• 攻读硕士期间发表的论文与研究成果清单67-68
• 致谢68

【共引文献】

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本文编号：1136256