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

发布时间：2017-11-12 18:12

  本文关键词：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

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【摘要】：锂离子电池聚合物电解质因不存在漏液问题、能使电池外观灵活设计、物理和化学稳定性好等优点使其拥有良好的发展前景。其中多孔聚合物电解质能够同时兼顾离子电导率和机械强度,综合性能更佳。因此本文分别采用简单实用的非溶剂挥发法和安全环保的超临界CO2(ScCO2)诱导相分离法制备了锂离子电池复合多孔聚合物电解质。采用SEM、DSC、XRD、TGA、拉伸测试、EIS、CV等手段对制备的聚合物膜的微观形貌、结晶度、热性能、力学性能和电化学性能进行了充分表征。研究了制备过程中不同工艺参数对聚合物膜结构和性能的影响,以实现力学性能和电化学性能的统一,使制备的复合多孔聚合物电解质具有实际应用前景。本文首先采用非溶剂挥发法制备了复合多孔聚合物电解质。膜材料为PVDF-HFP和PMMA,DMF和EG分别是溶剂和非溶剂。考察了制备过程中的液膜干燥温度、非溶剂EG用量、共混PMMA质量分数和纳米Ti02的添加量对聚合物膜的物理和电化学性能的影响。首先,制备了纯PVDF-HFP基聚合物电解质,并研究了干燥温度的影响。结果表明,当干燥温度低于60℃时,无法获得一张外观完好的膜；升高干燥温度,膜的孔隙率和电导率不断下降,力学性能则不断增强。然后,不断调高非溶剂EG用量,研究不同非溶剂EG用量的影响。结果表明,膜的孔隙率和电导率随着非溶剂EG用量增加而不断升高；非溶剂用量最大时,离子电导率最高至0.75mS/cm,电化学氧化电位在6V以上。在此基础上,将PVDF-HFP与PMMA共混,研究不同PMMA质量分数的影响。结果表明,共混PMMA对离子电导率提升效果显著,PMMA质量分数从0升至30%时,离子电导率从0.75mS/cm升至1.53mS/cm,提升两倍多；随着PMMA质量分数增加,膜的表面孔密度、结晶度和热稳定性不断下降,拉伸强度则逐渐增强。最后,将纳米Ti02引入PVDF-HFP/PMMA共混膜中,研究不同纳米Ti02添加量的影响。结果表明,膜表面孔密度和结晶度随着纳米Ti02的引入逐渐下降；添加量超过2%时,有明显的粒子团聚现象出现,导致聚合物电解质的离子电导率迅速衰减；当纳米Ti02添加量为2%时,制备的复合多孔聚合物电解质综合性能最佳,离子电导率最高为1.68mS/cm,热分解温度在350-C以上,氧化分解电压在6V以上,拉伸强度达21.89MPa；装配成扣式电池进行充放电测试,电池运行平稳,0.2C、0.5C、1C和2C倍率下的放电比容量分别为140.2、127.1、114.7和105.3mAh/g,1C倍率下50圈循环效率为90%。本文制备复合多孔聚合物电解质采用的第二种方法为ScCO2诱导相分离法。选用的聚合物为PVDF-HFP,溶剂为NMP。考察了制备过程中的ScCO2压力和温度、聚合物初始浓度和纳米Ti02添加量对聚合物膜的物理和电化学性能的影响。研究结果表明,ScCO2诱导法制备的聚合物膜为非对称膜,膜截面呈现蜂窝状的大孔结构,具有较高的孔隙率和离子电导率,然而拉伸强度偏低。随着ScCO2压力升高,膜的孔隙率和离子电导率不断增大,拉伸强度逐渐下降；而升高ScCO2温度或者增加聚合物初始浓度,膜的孔隙率和离子电导率不断下降,力学性能则逐渐增强。掺杂纳米Ti02能够同时改善膜的电化学性能和力学性能。随着纳米Ti02粒子不断添加,膜的结晶度、孔隙率和吸液率及拉伸强度都先升高而后下降。当纳米Ti02添加量为1%时,制备的复合多孔聚合物电解质综合性能最佳,室温离子电导率高达3.13mS/cm,同时热稳定性较好,电化学稳定窗口较宽,装配成Li/composite polymer electrolyte/LiCoO2电池,1C放电容量可达131.9mAh/g,循环50圈,库伦效率始终保持在99%左右。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O631;TM912

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本文编号：1177022