本文關(guān)鍵詞：PVdF纖維凝膠聚合物電解質(zhì)的改性及電化學(xué)研究

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【摘要】：目前,高品質(zhì)聚合物隔膜在改善鋰離子電池電化學(xué)性能的同時(shí),難以滿(mǎn)足低成本的要求。而采用高壓靜電紡絲方法制備的納米纖維聚合物膜具有孔隙度高、離子傳導(dǎo)性好以及成本低等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)理想的鋰離子電池隔膜材料。因?yàn)榫燮蚁?PVdF)具有化學(xué)穩(wěn)定性好、介電常數(shù)高、疏水性好等優(yōu)點(diǎn),所以PVdF常被用于制備纖維凝膠聚合物電解質(zhì)(FGPE),具有較高的室溫離子電導(dǎo)率和較好的機(jī)械強(qiáng)度。事實(shí)上,電紡PVdF纖維膜在FGPE中起機(jī)械支撐的吸附非水電解質(zhì)溶液的作用,其在聚合物鋰離子電池中的應(yīng)用一直以來(lái)備受關(guān)注。因?yàn)檫@種FGPE具有大量相互連通的微米級(jí)的大孔,吸附的電解液存在泄漏的隱患,導(dǎo)致聚合物鋰離子電池在循環(huán)過(guò)程中電化學(xué)性能惡化。因此,如何有效地保持電解液在FGPE中是一個(gè)難題。為了解決這個(gè)問(wèn)題,人們已經(jīng)開(kāi)展了許多工作。例如,在PVdF纖維中混紡聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),與有機(jī)碳酸酯類(lèi)電解液相容性好的其它聚合物,然而混紡聚合物纖維容易在碳酸酯類(lèi)電解液中由于溶出而發(fā)生斷裂,從而導(dǎo)致聚合物鋰離子電池內(nèi)部短路,引起安全事故。針對(duì)FGPE存在的問(wèn)題,我們對(duì)其進(jìn)行了以下改性工作,并對(duì)改性后的FGPE進(jìn)行電化學(xué)研究:1.采用高壓靜電紡絲法制備PVdF/PMMA基多層聚合物纖維膜,通過(guò)SEM、TG、LSV、EIS和充放電測(cè)試等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行表征。研究結(jié)果顯示,PVdF/PMMA/PVdF三層夾心聚合物纖維膜具有較好的吸液率和保液率,分別為197%和72%。以其組裝的Li/LiFePO4電池在0.1C條件下,首次放電容量達(dá)到147 mAh g-1,經(jīng)過(guò)50次循環(huán)之后放電容量為139 mAh g-1,容量保持率為95%,循環(huán)性能較好。2.在上述制備的PVdF/PMMA/PVdF三層聚合物纖維膜的網(wǎng)孔中,原位熱引發(fā)MMA單體交聯(lián)聚合,制備交聯(lián)PMMA的PVdF/PMMA/PVdF-b-PMMA共混聚合物膜,通過(guò)SEM、DSC、LSV、EIS和充放電測(cè)試等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明,由于MMA單體在三層纖維膜微孔中交聯(lián)聚合,中間PMMA纖維膜起到“鉚釘”的作用,三層聚合物纖維膜融為一體,PVdF/PMMA/PVdF-b-PMMA膜的拉伸強(qiáng)度為8.4MPa。這種聚合物膜的吸液率為244%,保液率為77%。這種聚合物膜活化后具有1.81×10-3 S cm-1室溫離子電導(dǎo)率和6.48 kJ mol-1離子遷移活化能。以其組裝的Li/LiFePO4電池在0.1C條件下,首次放電容量151mAh g-1,50次循環(huán)后容量為147 mAh g-1,容量保持率為97%。0.2、0.5、1和2C的初次放電容量分別為148、144、140和135 mAh g-1,比未交聯(lián)樣品具有更好的循環(huán)性能和倍率性能。3.通過(guò)堿處理改性PVdF粉末,采用高壓靜電紡絲法制備SiO2/PVdF納米復(fù)合纖維膜,然后在此復(fù)合纖維上接枝PMMA,制備SiO2/PVdF-g-PMMA聚合物膜,對(duì)其進(jìn)行SEM、DSC、LSV、應(yīng)力-應(yīng)變和電化學(xué)性能測(cè)試。研究結(jié)果表明,合成的SiO2/PVdF-g-PMMA膜具有良好電解液吸附和保留能力,膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率增加。其中,當(dāng)SiO2/PVdF-g-PMMA纖維膜中含有20 wt%PMMA時(shí),所得接枝聚合物纖維膜(SiO2/PVdF-g-20PMMA)的綜合性能最優(yōu)。該聚合物膜具有8.2MPa的拉伸強(qiáng)度和86%的斷裂伸長(zhǎng)率,室溫離子電導(dǎo)率為2.31×10-3S cm-1,表觀(guān)離子遷移活化能為2.83 kJ mol-1。以其組裝的Li/LiFePO4電池在0.1C條件下,首次放電容量157 mAh g-1,30次循環(huán)后,容量保持率為97%。0.2、0.5、1和2C的初次放電容量分別為153、147、139和130 mAh g-1,具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。研究結(jié)果表明,我們通過(guò)將PVdF/PMMA/PVdF夾心纖維膜原位共混PMMA和在SiO2/PVdF納米纖維上接枝PMMA的方法,解決了高壓靜電紡絲聚合物纖維膜滲漏電解液的問(wèn)題。組裝的鋰離子電池展現(xiàn)了出色的倍率性能和循環(huán)性能。
【關(guān)鍵詞】：PVdF PMMA 聚合物電解質(zhì) 靜電紡絲 鋰離子電池
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O631.23;TM912
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-22
• 1.1 鋰離子電池概述12-16
• 1.1.1 鋰離子電池發(fā)展概況12
• 1.1.2 鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)和不足12-13
• 1.1.3 鋰離子電池研究方向13-16
• 1.2 鋰離子電池電解質(zhì)概述16-18
• 1.2.1 鋰離子電池電解質(zhì)介紹16
• 1.2.2 聚合物電解質(zhì)介紹16-17
• 1.2.3 鋰離子電池隔膜的介紹17-18
• 1.2.4 鋰離子電池隔膜制備技術(shù)18
• 1.3 靜電紡絲發(fā)展概況18-20
• 1.3.1 靜電紡絲的歷史及研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3.2 鋰離子電池中的靜電紡絲應(yīng)用19-20
• 1.3.3 靜電紡絲隔膜性能要求20
• 1.4 本文研究目的及內(nèi)容20-22
• 第2章 試驗(yàn)材料及表征方法22-27
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品22
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器22-23
• 2.3 電極制備及電池組裝23
• 2.4 材料的性能表征23-27
• 2.4.1 傅里葉紅外光譜23-24
• 2.4.2 熱重分析24
• 2.4.3 熱性能分析24
• 2.4.4 掃描電子顯微鏡24
• 2.4.5 力學(xué)性能24-25
• 2.4.6 吸液率和保液率的性能測(cè)試25
• 2.4.7 線(xiàn)性?huà)呙璺卜?/span>25
• 2.4.8 交流阻抗測(cè)試25-26
• 2.4.9 恒流充放電測(cè)試26-27
• 第3章 PVdF/PMMA基多層凝膠聚合物電解質(zhì)的制備和電化學(xué)性能研究27-35
• 3.1 引言27-28
• 3.2 制備PVdF/PMMA基多層纖維膜28
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論28-33
• 3.3.1 形貌分析28-30
• 3.3.2 TG分析30
• 3.3.3 電解液吸收特性30-32
• 3.3.4 電化學(xué)穩(wěn)定窗32
• 3.3.5 電池性能32-33
• 3.4 本章小結(jié)33-35
• 第4章 PVdF/PMMA/PVdF-b-PMMA凝膠聚合物電解質(zhì)的制備和電化學(xué)性能研究35-44
• 4.1 引言35
• 4.2 制備PVdF/PMMA/PVdF-b-PMMA纖維膜35-36
• 4.3 結(jié)果與討論36-42
• 4.3.1 形貌分析36-37
• 4.3.2 機(jī)械性能37-38
• 4.3.3 熱性能DSC38
• 4.3.4 電解液吸收特性38-39
• 4.3.5 電化學(xué)性能39-40
• 4.3.6 電化學(xué)穩(wěn)定窗40-41
• 4.3.7 電池性能41-42
• 4.4 本章小結(jié)42-44
• 第5章 電紡PVdF/SiO_2纖維接枝PMMA基纖維凝膠聚合物電解質(zhì)的制備和電化學(xué)性能44-56
• 5.1 引言44-45
• 5.2 制備交聯(lián)復(fù)合材料聚合物膜45
• 5.3 結(jié)果與討論45-55
• 5.3.1 紅外光譜分析45-46
• 5.3.2 形貌分析46-47
• 5.3.3 機(jī)械性能47-48
• 5.3.4 熱性能DSC48-50
• 5.3.5 電解液吸收特性50-51
• 5.3.6 電化學(xué)性能51-52
• 5.3.7 電化學(xué)穩(wěn)定窗52-53
• 5.3.8 電池性能53-55
• 5.4 本章小結(jié)55-56
• 第6章 總結(jié)與展望56-58
• 6.1 總結(jié)56-57
• 6.2 展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-65
• 致謝65-66
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷66-67
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果67

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本文編號(hào)：598333