结构可调复合型锂离子电池凝胶聚合物电解质的制备和性能研究

发布时间：2017-09-29 12:31

  本文关键词：结构可调复合型锂离子电池凝胶聚合物电解质的制备和性能研究

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【摘要】：本论文设计合成了一类含有丙烯酸酯、乙二氧基和磷酸酯结构片段的结构可调烯基磷酸酯类单体,这类单体具有丙烯酸酯良好的聚合能力、乙二氧基的可调柔性和磷酸酯的阻燃性能的优点,是合成锂离子电池凝胶聚合物电解质聚合物主体良好的单体。利用1H NMR、13C NMR、31P NMR、HR-MS和FT-IR对烯基磷酸酯类单体的结构进行表征。利用溶液聚合反应,探究该烯基磷酸酯类单体的均聚反应和共聚反应,并利用1H NMR、31P NMR、GPC对聚合物的结构和分子量进行了表征,结果表明该类烯基磷酸酯类单体具有较好的自聚和共聚能力。通过TGA和DSC对聚合物的热稳定性进行表征,结果表明该类聚合物具有较好的热稳定性。在自由基引发剂存在的条件下,烯基磷酸酯类单体、共聚单体、交联剂和锂离子电解液通过优化的现场热聚合法合成了一系列交联共聚的凝胶聚合物电解质。研究了当共聚单体不同时,凝胶聚合物电解质电导率的变化,并结合其形状、机械性能等,挑选出性能最佳的凝胶聚合物电解质体系。研究了添加纳米SiO2粒子对凝胶电解质电导率和机械性能的影响,得出了添加SiO2纳米粒子的量为1.5 wt%(占单体和交联剂总质量)时制得的凝胶电解质具有优异的性能。利用扫描电镜对聚合物电解质的内部形态进行表征,得出其内部是疏松多孔的三维网状结构,这一结构为锂离子的传输提供了较好的通道,解释了其高电导率的特点。利用燃烧实验测试了电解液中添加不同量的烯基磷酸酯类单体的自熄时间和火焰传递速率,证明了此类单体具有较好的阻燃性能。将该单体作为阻燃剂添加到锂离子电解液中并组装了LiFe PO4电解液(添加单体)Li CR2016扣式电池,通过测试其充放电循环曲线,证明该类单体具有较好的电化学稳定性并且同正极材料LiFe PO4有较好的兼容性。组装了LiFe PO4凝胶电解质(GPE)Li CR2016扣式电池并测试了其充放电循环曲线,该电池具有良好的电化学性能,证明了该凝胶电解质可很好的应用于锂离子电池并提高锂离子电池的安全性能。
【关键词】：结构可调 烯基磷酸酯 复合凝胶聚合物电解质 高电导率 阻燃性 锂离子电池
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O631;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 前言11-25
• 1.1 锂离子电池概述11-14
• 1.1.1 锂离子电池的发展11-12
• 1.1.2 锂离子电池的组成及工作原理12-13
• 1.1.3 聚合物锂离子电池简介13-14
• 1.2 锂离子电池凝胶聚合物电解质概述14-20
• 1.2.1 凝胶聚合物电解质(GPE)的组成及分类14-18
• 1.2.1.1 聚氧化乙烯(PEO)类15-16
• 1.2.1.2 聚丙烯腈(PAN)类16
• 1.2.1.3 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)类16-17
• 1.2.1.4 聚偏氟乙烯(PVDF)类17-18
• 1.2.2 凝胶聚合物电解质的制备方法18-20
• 1.2.2.1 溶液浇铸法18
• 1.2.2.2 微孔聚合物隔膜法18-19
• 1.2.2.3 现场聚合法19-20
• 1.3 含磷化合物在锂离子电池电解质方面的应用20-23
• 1.3.1 含磷阻燃剂在锂离子电池电解质方面的应用20-21
• 1.3.2 含磷聚合物在锂离子电池电解质方面的应用21-23
• 1.4 本论文设计思路23-25
• 第二章 单体、聚合物的合成与表征25-43
• 2.1 实验试剂、仪器及聚合单体预处理25-27
• 2.1.1 实验试剂与仪器25-26
• 2.1.2 聚合单体的纯化处理26-27
• 2.1.2.1 交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)的纯化26
• 2.1.2.2 引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)的纯化26
• 2.1.2.3 丙烯酸酯类单体的纯化26-27
• 2.2 烯基磷酸酯类单体的合成与表征27-34
• 2.2.1 氯磷酸二烷基酯的合成27
• 2.2.2 (丙烯酰二乙氧基)/(丙烯酰三乙氧基)烷基磷酸酯合成及表征27-33
• 2.2.2.1 丙烯酰氯的合成27-28
• 2.2.2.2 二/三乙二醇单丙烯酸酯的合成28-29
• 2.2.2.3 (丙烯酰二乙氧基)/(丙烯酰三乙氧基)烷基磷酸酯的合成29-33
• 2.2.3 (丙烯酰氧乙基)/(2-甲基丙烯酰氧乙基)烷基磷酸酯合成33-34
• 2.2.4 烯丙基、丁烯基膦酸二乙酯的合成34
• 2.3 聚合物的合成及其性能分析34-38
• 2.3.1 烯基磷酸酯单体的均聚及表征35-36
• 2.3.2 烯基磷酸酯单体与丙烯酸酯的共聚及表征36-38
• 2.4 聚合物的热稳定性分析38-42
• 2.4.1 热重分析样品的制备38
• 2.4.2 热重样品的分析38-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第三章 烯基磷酸酯凝胶电解质的制备及其电导率的研究43-57
• 3.1 实验试剂与仪器43-44
• 3.1.1 实验试剂43
• 3.1.2 实验仪器43-44
• 3.2 凝胶电解质的制备及制备条件的优化44-48
• 3.2.1 凝胶电解质的制备44
• 3.2.2 凝胶电解质制备条件的优化44-48
• 3.2.2.1 电解液添加量的选择44-45
• 3.2.2.2 引发剂和温度的选择45-46
• 3.2.2.3 交联剂及其用量的选择46-48
• 3.3 烯基磷酸酯类体系凝胶电解质电导率的研究48-55
• 3.3.1 烯基磷酸酯-交联剂二元体系48-50
• 3.3.2 烯基磷酸酯-共聚单体-交联剂三元体系50-52
• 3.3.2.1 ATEDBP-丙烯酸酯单体-交联剂三元体系50-51
• 3.3.2.1 ATEDBP-磷酸酯单体-交联剂三元体系51-52
• 3.3.3 掺杂纳米粒子对三元体系凝胶性能的影响52-55
• 3.3.3.1 纳米粒子掺杂量的初步探索52-54
• 3.3.3.2 最佳SiO2纳米粒子添加量的研究54-55
• 3.4 本章小结55-57
• 第四章 烯基磷酸酯类系列凝胶电解质相关性能的研究57-66
• 4.1 实验试剂与仪器57
• 4.2 凝胶电解质的扫描电镜(SEM)分析57-59
• 4.2.1 扫描电镜样品的制备57-58
• 4.2.2 聚合物的微观结构分析58-59
• 4.3 电解液添加单体ATEDBP体系的燃烧实验59-62
• 4.3.1 电解液添加单体ATEDBP体系自熄时间的测定59-60
• 4.3.2 ATEDBP不同添加量对火焰传递速率的影响60-62
• 4.4 组装电池实验62-65
• 4.4.1 添加ATEDBP电解液的电池性能62-63
• 4.4.2 凝胶聚合物电解质电池的性能63-65
• 4.5 本章小结65-66
• 本论文小结66-67
• 参考文献67-73
• 附录73-97
• 硕士期间发表的论文97-98
• 致谢98

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