【摘要】：固態(tài)鋰電池具有安全性高,能量密度高,續(xù)航能力強等優(yōu)點,現(xiàn)已被廣泛研究。固態(tài)電解質(zhì)作為其中的關(guān)鍵組成部分,往往能直接決定鋰電池的性能。聚合物固態(tài)電解質(zhì)因具有很好的柔性及質(zhì)輕等優(yōu)點引起了廣大研究者的關(guān)注,但是室溫下離子電導(dǎo)率低,界面穩(wěn)定性差等問題限制了其商業(yè)應(yīng)用。本課題為了解決這些問題,對Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)(PVDF-HFP)基聚合物電解質(zhì)進行無機材料復(fù)合改性,旨在提高其離子電導(dǎo)率、熱力學性能和界面穩(wěn)定性,最終獲得性能優(yōu)異的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。在聚合物固態(tài)電解質(zhì)與二維材料氧化石墨烯(GO)復(fù)合改性的實驗中,通過結(jié)構(gòu)及性能的分析表明,聚合物電解質(zhì)與GO復(fù)合之后性能得到提升。在GO復(fù)合比例為0.5 wt.%時,PVDF-HFP/LITFSI/GO復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)在室溫下離子電導(dǎo)率為7.43×10~(-5) S·cm~(-1),電化學穩(wěn)定窗口大于4.5 V,而且具有優(yōu)異的抑制鋰枝晶生長的能力。一方面,將PVDF-HFP/LITFSI/GO(0.5 wt.%)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)與LiFePO_4組裝進行全固態(tài)鋰電池測試,在高溫(55℃)、0.2 C倍率下循環(huán)200圈之后比容量保持在133.2 mAh·g~(-1)。另一方面,通過界面修飾之后組裝固態(tài)電池在高溫及室溫下進行測試。結(jié)果表明,與全固態(tài)電池相比,電化學性能特別是室溫性能得到很大的提升。在聚合物固態(tài)電解質(zhì)與三維石榴石陶瓷LLZTO粉末復(fù)合改性的實驗中,通過固態(tài)反應(yīng)法制備石榴石LLZTO,在1150℃的環(huán)境下燒結(jié)12 h得到的陶瓷片離子電導(dǎo)率最高,室溫下為5.68×10~(-4) S·cm~(-1)。將LLZTO與PVDF-HFP/LiTFSI聚合物固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合之后提高了體系的熱力學性能、離子電導(dǎo)率及界面穩(wěn)定性。本課題探究LLZTO在體系中最優(yōu)的復(fù)合比例。在最優(yōu)復(fù)合比例12.5 wt.%時,復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)在室溫下電導(dǎo)率為8.80×10~(-5) S·cm~(-1),電化學穩(wěn)定窗口大于5 V。一方面,將PVDF-HFP/LITFSI/LLZTO(12.5 wt.%)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)與LiFePO_4組裝全固態(tài)鋰電池進行高溫測試,在0.2 C倍率下循環(huán)200圈之后比容量仍保持在127.7mAh·g~(-1)。另一方面,通過界面修飾組裝固態(tài)電池進行測試,結(jié)果表明0.5 C倍率(室溫)下進行500圈的長循環(huán)后,比容量沒有發(fā)生明顯的衰減。本課題的研究為固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)提供了思路和方法。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM912
【圖文】：

球鋰離子電池消費電子、動力、儲能需求量如圖 1-1 所示已成為研究熱點，在多個領(lǐng)域顯示出較好的應(yīng)用前景和經(jīng)航能力、較差的快速充放電能力以及較高的成本等劣勢阻等領(lǐng)域大范圍的應(yīng)用發(fā)展[3,4]�，F(xiàn)如今，我國的新能源汽要有三種，包括三元-石墨，磷酸鐵鋰-石墨和三元材料-鈦種電池體系的原材料本身特性進行比較可知，鈦酸鋰和磷量無法超過 300 Wh·Kg-1，當前僅有三元材料能夠滿足這的安全性熱失控溫度較低，低于磷酸鐵鋰電池和其他電池元鋰離子電池在過去幾年內(nèi)發(fā)生多起安全事故，今年 3-5 。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國今年 1~9 月電動車起火燃燒事件高的鋰離子電池均出自名企，制作工藝應(yīng)該不是主要問題。撞后起火、充電起火和無故自燃。這背后傳統(tǒng)鋰離子電池質(zhì)難辭其咎。而且純電動車為了追求更高的續(xù)航能力，過安全性能下降。所以在能量和安全性能上，傳統(tǒng)的液態(tài)電。

[7]鋰電池和鋰離子電池具有相同的工作原理，是一種可充電和可放電的高能電池，鋰離子在正負極材料之間來回移動。鋰離子電池的工作示意圖如圖1-2所示[7]，在放電過程中，Li+從正極材料通過電解質(zhì)向負極遷移，e-則通過外電路由正極向負極遷移，Li+移動到負極后和 e-一起嵌入到負極材料中；充電過程則與放電過程剛好相反。電池的正極一般使用鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等嵌鋰化合物，負極材料為石墨，

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文電解液是有機溶液，使用隔膜隔開正負極。全固態(tài)鋰電池的構(gòu)造與普通鋰離子電池的大致一樣，區(qū)別在于所有組分都是由固體材料組成，其中固體電解質(zhì)只能傳導(dǎo)鋰離子而不能傳輸電子，這將大幅簡化了電池的構(gòu)建過程。1.2.2 鋰電池電解質(zhì)的基本類型和特點電解質(zhì)在鋰電池中負責 Li+的轉(zhuǎn)移和輸送，它會直接對電極材料的匹配性和電池的性能產(chǎn)生影響。目前商用鋰離子電池主要使用的有機液體電解液或者凝膠態(tài)電解質(zhì)，它們具有易燃爆的特性，給電池系統(tǒng)帶來了嚴重的隱患。圖 1-3 比較了多類電解質(zhì)的優(yōu)缺點。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)在安全性、離子遷移數(shù)、電化學穩(wěn)定性、機械性能等方面具有突出的優(yōu)勢，但是，液態(tài)有機電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、固態(tài)無機電解質(zhì)等都有各自的短板。只有進行復(fù)合，特別是有機與無機固態(tài)電解質(zhì)之間的復(fù)合，才能獲得比較優(yōu)異的綜合性能[8,9]。

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本文編號：2806189