本文關鍵詞：鋰離子電池PPC基復合聚合物電解質的制備及其性能研究

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【摘要】：鋰離子電池因具有能量密度高、循環(huán)壽命長、工作電壓高和無記憶效應等優(yōu)點成為新能源汽車的動力源首選,但其因使用液體有機電解液而存在安全性等瓶頸問題,所以聚合物電解質取代液體電解液成為當前研究熱點。本文針對聚甲基乙撐碳酸酯(PPC)因具有與碳酸酯類有機溶劑相類似的分子結構,與鋰鹽有較好的兼容性和與常用的電極材料具有良好的界面相容性的優(yōu)點,設計合成了一系列PPC基固態(tài)和凝膠聚合物電解質。并采用傅立葉變換紅外光譜分析(FTIR)、X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜分析掃描(XPS)、電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、熱重分析(TG)、差熱掃描分析法(DSC)、線性掃描法(LSV)、交流阻抗法(EIS)和充放電循環(huán)測試等分析方法對制備的鋰離子電池PPC基復合聚合物電解質的結構和電化學性能進行表征,得到了良好的實驗結果。具體內(nèi)容如下:以PPC和聚氧化乙烯(PEO)為基體材料,添加經(jīng)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)接枝改性的納米Ti O2(nano TiO2-PMMA),采用溶液澆鑄法制備了鋰離子電池PEO/PPC/nano TiO2-PMMA復合固體聚合物電解質(CPE)膜,并考察了TiO2的接枝率對聚合物電解質膜結構和性能的影響。實驗結果表明:當TiO2的接枝率為8.0%時,PEO/PPC/nano TiO2-PMMA復合聚合物電解質膜具有良好的電化學性能:室溫下離子電導率達到1.3×10-5 S?cm-1,電化學穩(wěn)定窗口達到4.5 V以上,鋰離子遷移數(shù)為0.49。以過氧化苯甲酰(BPO)為交聯(lián)劑,對PPC、順丁橡膠(BR)和聚乙二醇(PEG)進行交聯(lián)改性,制備了PPC和順丁橡膠互穿交聯(lián)聚合物膜(XBRPC),經(jīng)電解液活化后得到XBRPC凝膠聚合物電解質(GPE)。電化學實驗結果表明,當PPC:BR=70:30時制備的GPE具有高的離子電導率,室溫和80℃下的離子電導率分別達到了1.25×10-3S?cm-1和3.51×10-3 S?cm-1,電化學穩(wěn)定窗口可達到4.5 V,室溫下用該GPE制備的Li/XBRPC70 GPE/LiFePO4電池在0.1C電流密度、2.5 4.0 V的充放電電壓下的首次比容量為119 mAh g-1,70周循環(huán)后的放電比容量為100 mAh g-1。采用乳液聚合法聚合改性不同比例的PPC和MMA,合成了交聯(lián)互穿P(PC-MMA)預聚體,以P(PC-MMA)預聚體制備了聚乙烯(PE)支撐P(PC-MMA)聚合物膜,并研究了PPC和MMA的比例對GPE的影響。結果表明:當PPC:MMA=80:20時,制備的PE支撐P(PC-MMA)聚合物膜的吸液率達到最大為347%±5%,用該聚合物膜制備的GPE具有最高的離子電導率,室溫下達到1.71×10-3 S?cm-1。電化學穩(wěn)定窗口達到5.0V以上,該GPE提高了鋰離子電池中隔膜與正負極之間的界面相容性。且以該GPE制備的磷酸鐵鋰電池的首次放電容量達到154 mAh g-1,循環(huán)100周后電池容量保持率為94.2%。以聚偏氟乙烯(PVdF)和PPC為聚合物膜基體材料,采用靜電紡絲法制備了PVdF/PPC靜電紡絲膜,并研究了摻入PPC對鋰離子電池常用PVdF基GPE性能的影響。掃描電鏡測試(SEM)和孔隙率測試表明靜電紡絲膜具有均一、交錯相連的微孔結構,纖維的平均直徑為300~850nm,吸液率最高達到500%。從DSC數(shù)據(jù)中得知,添加PPC有利于降低PVdF的結晶度。當PVdF:PPC=80:20時,PVdF/PPC GPE(CGE-20)在30℃下的離子電導率(4.05×10-3 S?cm-1)高于PVdF基GPE(2.11×10-3 S?cm-1)。PVdF/PPC GPE電化學穩(wěn)定窗口可達到5.0V,組裝的Li/CGE-20/LiFePO4電池在0.1、0.2、0.5、1和2.0C下的放電比容量分別為155.4、153.3、137.0、118.4、103.2和148.2 mAh g-1。并進一步研究了該聚合物電解質膜應用于自制的高容量Fe2O3@C@MoS2鋰離子電池負極材料的電化學性能。以Fe2O3和聚丙烯腈(PAN)為原料,采用靜電紡絲法制備了具有網(wǎng)狀結構的Fe2O3@C納米纖維,以Fe2O3@C為模板,再通過水熱法在其表面負載MoS2納米片制備Fe2O3@C@MoS2負極材料。結果表明:PVdF/PPC靜電紡絲聚合物電解質膜對Fe2O3@C@MoS2負極材料具有較好的界面穩(wěn)定性和優(yōu)異的電化學性能,在200mA/g電流密度下循環(huán)100次后的放電比容量為839 mAh g-1,具有較穩(wěn)定的循環(huán)性能。
【關鍵詞】：鋰離子電池 聚合物電解質 負極材料 聚甲基乙撐碳酸酯 三氧化二鐵
【學位授予單位】：華南農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ317;TM912
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 1 前言11-23
• 1.1 研究背景11
• 1.2 鋰離子電池工作原理11-13
• 1.3 鋰離子電池聚合物電解質13-21
• 1.3.1 固體聚合物電解質13-14
• 1.3.2 凝膠聚合物電解質14-21
• 1.3.2.1 凝膠聚合物電解質的體系分類14-18
• 1.3.2.2 凝膠聚合物電解質的制備方法18-20
• 1.3.2.3 凝膠聚合物電解質存在的問題20-21
• 1.4 本論文的研究意義及主要研究內(nèi)容21-23
• 2 材料與方法23-31
• 2.1 主要實驗試劑及設備23-24
• 2.1.1 主要的實驗試劑23-24
• 2.1.2 主要的實驗設備24
• 2.2 材料的制備方法24-27
• 2.2.1 PPC的純化處理24-25
• 2.2.2 PEO/PPC/nano TiO2-PMMA固體聚合物電解質膜的制備25
• 2.2.3 PPC/BR互穿交聯(lián)型凝膠聚合物電解質膜的制備25-26
• 2.2.4 聚乙烯（PE）支撐P(PC-MMA)互穿凝膠聚合物電解質膜的制備26
• 2.2.5 靜電紡絲法制備PVdF/PPC凝膠聚合物電解質膜26
• 2.2.6 Fe2O3@C@MoS2納米纖維的制備26-27
• 2.3 材料的結構表征27-28
• 2.3.1 紅外光譜分析（FTIR）27
• 2.3.2 電鏡分析27
• 2.3.3 X射線衍射分析（XRD）27
• 2.3.4 X射線光電子能譜分析（XPS）27
• 2.3.5 熱重（TG）和差示掃描量熱（DSC）分析27-28
• 2.3.6 拉伸測試28
• 2.3.7 聚合物膜的吸液率測試和孔隙率測試28
• 2.3.8 接觸角分析28
• 2.4 電化學性能測試28-31
• 2.4.1 離子電導率的測定28-29
• 2.4.2 電化學穩(wěn)定性能測試29
• 2.4.3 鋰離子遷移數(shù)的測定29
• 2.4.4 循環(huán)伏安測試（CV）29
• 2.4.5 交流阻抗測試（EIS）29
• 2.4.6 扣式電池的組裝29-30
• 2.4.6.1 測試聚合物電解質電化學性能扣式電池組裝29-30
• 2.4.6.2 測試負極材料電化學性能扣式電池組裝30
• 2.4.7 充放電性能測試30-31
• 3 結果與分析31-74
• 3.1 PEO/PPC/Nano TiO2-PMMA固體聚合物電解質的結構表征與性能研究31-36
• 3.1.1 Nano TiO2-PMMA的TG分析31
• 3.1.2 Nano TiO2-PMMA的FTIR分析31-32
• 3.1.3 接枝率對聚合物電解質膜的微觀形貌的影響32-33
• 3.1.4 接枝率對聚合物膜的離子電導率的影響33-34
• 3.1.5 接枝率對聚合物膜的電化學穩(wěn)定窗口的影響34-35
• 3.1.6 接枝率對聚合物膜的鋰離子遷移數(shù)的影響35-36
• 3.1.7 小結36
• 3.2 PPC/BR互穿交聯(lián)型凝膠聚合物電解質膜的結構表征和性能研究36-45
• 3.2.1 聚合物膜的FTIR分析36-37
• 3.2.2 PPC/BR的比例對聚合物膜的微觀形貌的影響37-38
• 3.2.3 PPC/BR的比例對聚合物膜的熱穩(wěn)定性的影響38-39
• 3.2.4 溫度對聚合物膜的保濕率的影響39-40
• 3.2.5 PPC/BR的比例對凝膠聚合物電解質的力學性能的影響40-41
• 3.2.6 PPC/BR的比例對凝膠聚合物電解質的離子電導率的影響41-43
• 3.2.7 PPC/BR的比例對凝膠聚合物的電化學穩(wěn)定窗口的影響43-44
• 3.2.8 PPC/BR的比例對凝膠聚合物的電池性能的影響44
• 3.2.9 小結44-45
• 3.3 PE支撐P(PC-MMA)互穿凝膠聚合物電解質膜的結構表征和性能研究45-54
• 3.3.1 聚合物膜的FTIR分析45-46
• 3.3.2 聚合物膜的微觀形貌分析46-47
• 3.3.3 聚合物膜的接觸角測試47
• 3.3.4 聚合物膜的DSC分析47-48
• 3.3.5 聚合物膜的吸液率和電導率測試48-50
• 3.3.6 聚合物電解質與電極界面的穩(wěn)定性50-51
• 3.3.7 聚合物電解質的電化學穩(wěn)定窗口研究51-52
• 3.3.8 聚合物膜制備的電池循環(huán)性能測試52-54
• 3.3.9 小結54
• 3.4 PVdF/PPC凝膠聚合物電解質膜的結構表征與性能研究54-74
• 3.4.1 聚合物膜的FTIR分析54-55
• 3.4.2 PVdF/PPC聚合物膜的微觀形貌和吸液率55-57
• 3.4.3 PVdF/PPC聚合物膜的尺寸穩(wěn)定性57
• 3.4.4 PVdF/PPC聚合物膜的DSC分析57-59
• 3.4.5 PVdF/PPC凝膠聚合物電解質的離子導電率59-61
• 3.4.6 PVdF/PPC聚合物膜的熱穩(wěn)定性能61
• 3.4.7 PVdF/PPC凝膠聚合物電解質的電化學穩(wěn)定性能61-62
• 3.4.8 PVdF/PPC凝膠聚合物電解質與電極界面穩(wěn)定性研究62-63
• 3.4.9 聚合物電池的循環(huán)性能和倍率性能63-65
• 3.4.10 PVdF/PPC凝膠聚合物電解質的結構穩(wěn)定性65-66
• 3.4.11 Fe_2O_3@C@MoS_2負極材料的結構表征66-70
• 3.4.12 Fe_2O_3@C@MoS_2的充放電性能研究70-74
• 3.4.13 小結74
• 4 結論與討論74-77
• 4.1 結論74-76
• 4.2 展望76-77
• 致謝77-78
• 參考文獻78-85
• 附錄 攻讀碩士期間發(fā)表的學術論文85

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 黃雪妍;黃嘉怡;武健鋒;李成煥;禹筱元;;PEO/PPC/Nano TiO_2-PMMA復合聚合物電解質膜的制備及性能[J];高分子材料科學與工程;2015年06期

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本文編號：735636