离子液体改性PVDF-HFP聚合物凝胶电解质的制备及应用

发布时间：2020-10-11 10:13

　　 锂金属电池是一种能量密度较高的储能设备,具有环境友好、能量转化效率高等优势,但由于大多采用碳酸酯类有机溶剂的液态电解质,存在易泄漏、高温易胀气等问题,以上已成为锂金属电池发展的瓶颈问题。此外锂离子不均匀沉积形成的枝晶易引发短路、燃烧甚至爆炸,给电池带来很大的安全隐患。凝胶或固态聚合物电解质替代液态电解质,可避免漏液的风险,提高电池的安全性,其中固态电解质由于室温下离子电导率低,界面阻抗大,仍很难在室温下应用;凝胶电解质结合液态与固态电解质的优势,有望大幅度提高锂电池的安全性。电场分布不均引起锂离子不均匀沉积是形成枝晶的根本原因,提高电解质的机械模量或锂离子迁移数是解决这一问题的根本途径。由于无机二氧化硅可增强凝胶电解质基体膜的机械性能;离子液体具有电化学窗口宽、不挥发、电导率高,应用于凝胶电解质可提高其离子电导率和电化学窗口宽。基于以上,本研究提出一种由无机二氧化硅和哌啶类离子液体结合制备的二氧化硅纳米颗粒负载哌啶离子液体(SiO_2PPTFSI)改性的PVDF-HFP凝胶电解质以有效提高锂金属电池的安全性能。主要研究内容如下:(1)采用三步法合成了SiO_2PPTFSI改性材料,选用质谱、液体核磁光谱、傅里叶红外光谱、固体核磁光谱等分析对中间产物和目的产物进行的表征。(2)选用静电纺丝纺织出PVDF-HFP纳米纤维膜,研究了纺丝液粘度、推注速度、操作电压以及聚合物分子量大小四个条件,筛选出较优的纺丝条件,并制备SiO_2PPTFSI改性纳米纤维膜;选用高压电解液增塑后得到了SiO_2PPTFSI改性凝胶电解质。采用扫描电镜(SEM)、动态机械分析仪(DMA)测试方法对其结构、热稳定性、机械性能分析,通过SEM观测纤维膜的形貌知,该膜是由直径100-150 nm纤维构建的立体网状结构,PVDF-HFP纤维表面光滑,SiO_2和SiO_2PPTFSI改性纤维表面较粗糙,有许多小突起。纤维膜的热稳定性优于Celgard膜,在120℃下Celgard隔膜出现明显卷曲,而纤维膜不发生收缩、卷曲,具有良好的稳定性。SiO_2PPTFSI改性纤维膜的拉伸强度和伸长率优于未改性PVDF-HFP和SiO_2改性纤维膜,拉伸强度为7.88 MPa,伸长率为135.8%。纤维膜比表面积大,吸液率高,纤维膜具有全通孔结构,孔隙率明显高于商业化Celgard隔膜,可促进电池工作过程中动力学传输。(3)运用计时电流法(CA)、交流阻抗(EIS)、线性扫描(LSV)、对称锂电池循环、循环伏安(CV)等对电化学性能测试,并与未改性PVDF-HFP电解质、SiO_2改性凝胶电解质及用商业Celgard隔膜的高压电解液进行了对比。分析知SiO_2PPTFSI改性PVDF-HFP凝胶电解质的电化学性能优异,其具有较高离子电导率0.639 mS cm~(-1),较大锂离子迁移数0.597,电化学稳定高达5.1 V,适用于高压锂电池;且与电极之间有较好相容性,可在一定程度上抑制锂枝晶的形成,将其应用于高压Li/LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4电池,显现了优异的循环与倍率性能,并保证电池的安全性,故具有广阔的应用前景。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ427.26;TM912
【部分图文】：

1 引言推动新能源汽车等产业发展，全面扩大新能源汽车领域的开放，这都助推汽车时代的到来，推动了锂电池的快速发展。表 1.1 各国禁售燃油车时间表Table 1.1 Time table of the ban on the sale of fuel vehicles in various countries国家 年份荷兰 2025挪威 2025德国 2030印度 2030英国 2040法国 2040

图 1.2 静电纺丝的装置示意图igure 1.2 Schematic device of electrospinnin改性胶电解质，但不能同时满足优异电解导率低，不能与液态电解质抗衡；组装、存放和使用中结构稳定性不强够宽，不适用于高电压工作条件。性方法制备复合凝胶电解质，使其克SiO2、TiO2、Al2O3等和离子液体是聚对于未改性凝胶电解质，改性后电解[50]研究了不同粒径的 AlO[OH]n对 PAlO[OH]n降低了聚合物的结晶度，

哌啶类离子液体（PPCl）反ction device of piperidine ion啶类离子液体的制备硅胶体溶液于 250 mL 单甲基哌啶鎓氯化物（PPC斗，缓慢逐滴加入二氧化 0.1 mol/L 的盐酸调整 P应 10 h，粗产物用甲醇00 r/min 离心，洗涤和离体负载在二氧化硅纳米于 SiO2纳米材料（SiO
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本文编号：2836450