基于复合电解质的固体锂空气电池制备与性能研究
发布时间：2021-03-29 18:58
锂空气电池相比于锂离子电池具有更高的理论比容量,可以满足人们在电动汽车、军事、航空等领域对储能系统的要求,是一种十分有潜力的新型储能技术。但是目前大多数锂空气电池使用的都是有机电解液,电解液易受到充放电过程中产生的活性氧化物的亲核攻击,发生副反应,导致副产物堆积,降低电池的循环性能。此外,有机电解液易燃,本身存在安全隐患,且不能很好地抑制锂枝晶,容易造成电池短路和热失控,发生严重的安全问题。由聚合物电解质与锂盐和无机填料组成的复合聚合物电解质（CPE）,具有更好地稳定性,可以耐活性氧物质腐蚀,抑制锂枝晶,避免安全问题。而且CPE具有良好的柔韧性,可以很好地降低电解质/电极之间的界面阻抗。本论文首先制备了一种由聚偏氟乙烯（PVDF）和Li7La3Zr2O12（LLZO）颗粒复合的固体电解质（CPE）,并对其形貌,电化学性能进行了系统研究。测试了未掺杂的PVDF电解质和不同含量LLZO掺杂的CPE在不同温度下的电导率。结果表明含有10wt%LLZO的CPE性能最佳,在室温下的离子电导率为1.17×10<...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
现阶段主要几种充电电池的能量密度、估计的行驶距离和价格图关系图[35]
天津工业大学硕士学位论文2为开发新的储能体系提供了可能[8,9]。由于固体电解质具有以上优点，在电池中使用固体电解质的研究增长迅速。1.2固体电解质的分类和发展现状锂空气电池固体电解质可以分为聚合物固体电解质[10]，无机固体电解质[11]和复合固体电解质[12]。其中聚合物固体电解质一般使用具有良好成膜性的有机材料，如聚环氧乙烷（PEO）[13]，聚偏二氟乙烯（PVDF）[14]，例如聚（丙烯腈）（PAN）[15]，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）[16]等。无机固体电解质可以分为晶型无机电解质和玻璃态非晶体固体电解质，晶型无机固体电解质包括氧化物，氮化物，NASICON型，LISICON型，石榴石型和其他一些新型固体电解质。玻璃非晶体固体电解质包括氧化物玻璃和硫化物玻璃。图1-1[17]为固体电解质的发展历程及电导率。由图可以看出部分固体电解质材料具有较高的电导率。石榴石型无机固体电解质材料LLZO电导率为3×10-4Scm，远高于聚合物固体电解质。但是无机固体电解质界面阻抗过大，导致电池的工作电流和容量都十分的低。而复合电解质可以在实现高导电性的同时适当改善界面问题。图1-1固体电解质的发展历程及电导率[17]
的配合物可以传输离子[18]，然后赖特[19]和Armand等人提出把PEO用作电池中的固体电解质。从那时起，各种具有高锂离子传导性的聚合物电解质的研究十分火热，出现了很多具有类似性质的聚合物材料。例如聚（丙烯腈）（PAN）[20,21]，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）[22,23]，聚氯乙烯（PVC）[24]，聚碳酸亚乙酯（PEC）[25]和聚偏二氟乙烯（PVDF）[26]。以上聚合物材料在室温下锂离子电导率相比于PEO十分的低，因此PEO在锂电池中的应用更为广泛。PEO是一种聚醚化合物，其化学结构为H-（O-CH2-CH2）n-OH，图1-2为化学结构示意图。根据PEO分子量的不同，PEO也称为聚乙二醇（PEG）。通常，PEO是分子量大于20000gmol-1的聚合物，而PEG是指环氧乙烷的低聚物或分子量小于20000gmol-1的聚合物。PEO的制备是在催化剂的作用下，环氧乙烷单体进行开环聚合来进行的，PEO产量很大，可以方便的购买，并且因为PEO具有低毒性，所以其应用范围十分的广，可用于很多领域，例如医疗，化学，生物，商业和工业等领域。图1-2不同类型的线性PEO的结构[27]如上所述，PEO可以与锂盐中的锂离子络合形成聚合物电解质。它的环氧乙烷（EO）单元具有较高的锂离子供体数和高链柔性，这对促进离子传输非常重要。另外，PEO具有高介电常数和较强的锂离子溶剂化能力。所以，基于PEO的聚合物电解质研究是最广泛的。PEO是一种半结晶聚合物，具有活化链段的无定形相有助于离子迁移[28]。尽管有一些报告表明，结晶PEO可以提供比无定形PEO更大的离子电导率[29,30]。但是到目前为止，研究表明PEO结晶还是不利于锂离子的迁移，因为结晶时聚合物链动力学变慢[31]。因此，基于PEO的电解质的设计标
本文编号：3108022
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
现阶段主要几种充电电池的能量密度、估计的行驶距离和价格图关系图[35]
天津工业大学硕士学位论文2为开发新的储能体系提供了可能[8,9]。由于固体电解质具有以上优点，在电池中使用固体电解质的研究增长迅速。1.2固体电解质的分类和发展现状锂空气电池固体电解质可以分为聚合物固体电解质[10]，无机固体电解质[11]和复合固体电解质[12]。其中聚合物固体电解质一般使用具有良好成膜性的有机材料，如聚环氧乙烷（PEO）[13]，聚偏二氟乙烯（PVDF）[14]，例如聚（丙烯腈）（PAN）[15]，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）[16]等。无机固体电解质可以分为晶型无机电解质和玻璃态非晶体固体电解质，晶型无机固体电解质包括氧化物，氮化物，NASICON型，LISICON型，石榴石型和其他一些新型固体电解质。玻璃非晶体固体电解质包括氧化物玻璃和硫化物玻璃。图1-1[17]为固体电解质的发展历程及电导率。由图可以看出部分固体电解质材料具有较高的电导率。石榴石型无机固体电解质材料LLZO电导率为3×10-4Scm，远高于聚合物固体电解质。但是无机固体电解质界面阻抗过大，导致电池的工作电流和容量都十分的低。而复合电解质可以在实现高导电性的同时适当改善界面问题。图1-1固体电解质的发展历程及电导率[17]
的配合物可以传输离子[18]，然后赖特[19]和Armand等人提出把PEO用作电池中的固体电解质。从那时起，各种具有高锂离子传导性的聚合物电解质的研究十分火热，出现了很多具有类似性质的聚合物材料。例如聚（丙烯腈）（PAN）[20,21]，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）[22,23]，聚氯乙烯（PVC）[24]，聚碳酸亚乙酯（PEC）[25]和聚偏二氟乙烯（PVDF）[26]。以上聚合物材料在室温下锂离子电导率相比于PEO十分的低，因此PEO在锂电池中的应用更为广泛。PEO是一种聚醚化合物，其化学结构为H-（O-CH2-CH2）n-OH，图1-2为化学结构示意图。根据PEO分子量的不同，PEO也称为聚乙二醇（PEG）。通常，PEO是分子量大于20000gmol-1的聚合物，而PEG是指环氧乙烷的低聚物或分子量小于20000gmol-1的聚合物。PEO的制备是在催化剂的作用下，环氧乙烷单体进行开环聚合来进行的，PEO产量很大，可以方便的购买，并且因为PEO具有低毒性，所以其应用范围十分的广，可用于很多领域，例如医疗，化学，生物，商业和工业等领域。图1-2不同类型的线性PEO的结构[27]如上所述，PEO可以与锂盐中的锂离子络合形成聚合物电解质。它的环氧乙烷（EO）单元具有较高的锂离子供体数和高链柔性，这对促进离子传输非常重要。另外，PEO具有高介电常数和较强的锂离子溶剂化能力。所以，基于PEO的聚合物电解质研究是最广泛的。PEO是一种半结晶聚合物，具有活化链段的无定形相有助于离子迁移[28]。尽管有一些报告表明，结晶PEO可以提供比无定形PEO更大的离子电导率[29,30]。但是到目前为止，研究表明PEO结晶还是不利于锂离子的迁移，因为结晶时聚合物链动力学变慢[31]。因此，基于PEO的电解质的设计标
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