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锂离子电池用磷酸酯型固体聚合物电解质研究

凌志军  
【摘要】: 全固态聚合物电解质是锂离子电池技术发展的关键材料和研究前沿。论文总结了基于PEO的聚合物电解质的主要进展和局限性,开展了枝化结构聚合物体系的研究,初步成果展现出了良好的应用前景和学术意义。 从分子结构出发,设计了枝状磷酸酯结构的分子,将聚乙二醇、聚乙二醇单丙烯酸酯、二乙二醇单甲醚依次与POCl_3反应,成功制备了含枝化结构的聚醚磷酸酯型大分子单体。再与高氯酸锂复合后、直接紫外光引发聚合得到聚合物(PEP)电解质膜。研究了单体组成、分子量以及LiClO_4含量、温度等对聚合物电解质性能的影响。聚合物电解质电化学性能与单体所用聚乙二醇分子量以及含量有关。使用聚乙二醇400时,单体分子量在1600左右,LiClO_4含量5%时室温电导性能最佳,可以达到4.41×10~(-5)S/cm,体系在室温下是完全无定型的。体系电化学窗口高达10V,且在250℃下热稳定。 PEP型聚合物是交联的,难以进行改性。对分子结构和合成工艺进一步改进,采用聚乙二醇单甲醚等与三氯氧磷反应合成了长链型磷酸酯大分子单体,聚合得到可溶性的梳状聚醚磷酸酯型聚合物LPEP。研究表明随着侧链链长的增加,聚合物的结晶度逐渐增加。聚合物电解质的室温最大电导率随着聚乙二醇单甲醚侧链链长的增大而减小,且最大电导率对应的盐浓度随着链长的增长而增大。体系电化学窗口达到10V,锂离子迁移数随着侧链链长的增加略有增加。体系室温电导率和热稳定性相对于PEP-LiClO_4体系都略有提高。 论文还探讨了纳米氧化铝以及自制的离子导电的Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3的加入对聚合物电解质体系性能的影响。研究表明,纳米材料的加入显著降低了聚合物电解质体系的结晶度,对Tg的影响两种纳米粒子的表现正好相反。但是都能够有效的提高体系的电导率,LPEP-8%LiClO_4体系复合纳米粒子后室温电导率可以达到10~(-4)S/cm。纳米粒子的加入还提高了体系的锂离子迁移数,且聚合物电解质的热稳定性以及聚合物电解质与锂电极的界面也得到改善。 聚合物电解质用于锂离子电池中,小电流充放下电池有较好的循环性能。


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