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锂离子电池固态聚合物电解质材料制备及其性能改善

梁言菲  
【摘要】:采用液态电解质的锂离子电池在使用过程中容易引发的电解液泄露,引起安全隐患。具有高离子电导率和稳定电位的固态电解质可以提高锂离子电池的能量密度和安全性。聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)是一种有应用前景的聚合物材料。本研究通过掺杂无机陶瓷颗粒、共混和构造三维网络制备了聚合物电解质,并对其电导率、锂离子迁移率和电化学稳定电位进行了研究,同时组装锂离子电池,系统分析了其充放电循环稳定性等电化学性能。(1)本研究首先从纯PVDF-HFP基聚合物室温电导率低的特点出发,利用倒模法,通过掺杂石榴石型无机陶瓷粉末Li7L3Zr2O12制备有机-无机复合电解质并确定了最适掺杂量(10%)。在室温下,复合聚合物电解质(CPE)具有良好的锂离子电导率3.71×1014-4 S cm-1。复合聚合物电解质表现出更高的锂离子转移数(0.58)和较为平稳的电化学窗口(可达4.65VvsLi/Li+)。借助复合聚合物电解质的锂离子电池电化学稳定性有所改善表现出优异的初始放电容量。在以磷酸铁锂为正极的锂电池系统中,以0.2 C倍率下电池的放电容量达163.1 mAh g-1。评估电池的长循环过程中,通过掺杂改性的聚合物电解质表现出更稳定的电化学充放电能力,在200次充放电周期之后,库伦效率依旧可以维持在99%以上,容量维持率可达83.8%。(2)将含有极性很强碳酸酯基团的聚碳酸丙烯酯(PPC)通过共混的方式引入纯PVDF-HFP聚合物体系中,高电介质基团的引入构成了稳定且低结晶的内部三维载体,改善了锂离子传输并提高了电解质的循环稳定性。共混改性后的聚合物电解质电化学稳定窗口可达4.8 Vvs Li/Li+。利用共混聚合物电解质组装的Li/LiFe0.2Mn0.8Po4电池在100次循环后的0.2C可逆容量比约为89.8%,循环稳定性优于单一 PVDF-HFP基体。此外,利用共混聚合物电解质组装的Li/LiFe0.2Mn0.8PO4电池在0.1C、0.2C和0.5C下的电池放电容量分别为162.3 mAh g-1、155.5 mAh g-1 和 130.1 mAh g-1。(3)为了消除多硫化物穿梭影响,提高锂硫电池使用寿命。本工作通过向PVDF-HFP体系中引入PETT、Ester单体在紫外光下原位聚合制备了三维网状聚合物电解质。该电解质表现出平稳的电化学窗口(5.05VvsLi/Li+)。用3D网络凝胶聚合物电解质膜组装的固态锂硫电池与液体电解质相比,具有优异的容量保持率。


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