收藏本站
收藏 | 论文排版

仿贻贝聚合物的制备及其自修复性能和电化学性能研究

金碧玉  
【摘要】:绿色清洁的锂离子电池为改善能源消费结构、减缓环境恶化带来了曙光。近年来,具有高理论比容量的锂硫电池(1675mAh·g-1)和硅负极锂离子电池(4200 mAh·g-1)更是国内外研究热点。然而,这两种电池在商业化进程中存在一些严重阻碍,具体表现在三个方面:(1)电极结构稳定性差,粘结剂溶胀酯类或醚类电解液以及活性颗粒在反复嵌锂-脱锂过程中发生巨大的体积膨胀-收缩,导致活性颗粒脱落,电极表面产生大量裂纹,电池库伦效率降低;(2)硫和硅导性差,导致活性物质利用率低,高倍率性能不理想;(3)锂硫电池的放电产物聚多硫化锂穿梭效应明显,导致活性物质利用率低,电池循环寿命降低。粘结剂作为连接活性物质和集流体的桥梁,对维持电极结构完整性、提高电化学性能起到重要作用,通过合理的分子结构设计开发高性能的电池粘结剂具有重要的理论意义和应用价值。针对以上问题,本文基于仿生和分子结构设计的思想,以海洋生物贻贝作为仿生对象,制备了纳米粒子复合的仿贻贝弹性体和纳米片复合的仿贻贝粘结剂,分别探索两者受连续物理破坏后的力学性能自修复效果和在溶液环境中对各种基材的粘附效果及影响因素;在此基础上,构建了对集流体有优异湿粘附能力、对电极结构变化有充分适应能力、对电极结构破坏有快速自修复能力、对聚多硫化锂有良好吸附能力、对锂离子扩散有高效促进能力的粘结剂,应用于锂硫电池和硅负极锂离子电池,实现了高比容量、高循环稳定性的正极和负极材料的有效制备。主要研究工作如下:基于对邻苯二酚基团各种化学作用的认识,针对纳米粒子复合后的仿贻贝弹性体是否保有力学性能自修复特性的关键问题,设计了一种共价-非共价双交联的仿贻贝弹性体。通过动态可逆的配位键合的方式将多巴胺接枝在四氧化三铁纳米粒子表面,结合原位热交联技术,将其与携带反应性环氧官能团的可交联聚合物P(GMA-r-PDMSPEMA)复合,获得具有光热性能的热固性弹性体。考察弹性体的表面形貌、本体结构、力学性能、玻璃化转变温度、表面温度随光照时间的变化与改性四氧化三铁纳米颗粒含量之间的关系,考察仿贻贝弹性体受多次物理破坏后的自修复效果并揭示其自修复机理,为后续设计制备具有快速力学性能自修复效果的电池粘结剂提供实践指导。针对仿贻贝粘结剂对各种基材粘附效果的影响因素及如何影响两个关键问题,设计了一种纳米片复合仿贻贝粘结剂。通过含醛基可交联共聚物P(DMA-r-DMAEMA-r-FMPEG)的分子设计,结合室温原位交联技术,将其与表面富含氨基的改性氮化硼纳米片均匀复合,获得了 一种具有双重pH响应性的纳米片复合仿贻贝粘结剂。考察粘结剂的微观形貌、结构组成、表面粘附功、力学性能与改性氮化硼纳米片添加量之间的关系,揭示了界面粘附力、本体内聚力、被粘附材料的表面能三者对仿贻贝粘结剂粘结效果的影响机制,为后续设计制备拥有溶液环境中强粘附力的电池粘结剂提供理论指导。在此基础上,通过同时破坏或重建界面粘附力和本体内聚力,达到反复切换粘附力大小的目的,实现智能抓取和释放被粘附物体的性能。结果显示,在湿环境中DDF-BNNS粘结剂可以通过改变pH为3或9调节粘附力在1.44~0.30MPa之间可逆切换。基于以上研究,针对锂硫电池和硅负极锂离子电池的电极结构稳定性差这一问题,分别设计了侧链含有邻苯二酚基团的共聚物粘结剂和掺杂少量聚多巴胺的混合物粘结剂,旨在增强醚类和酯类电解液环境中电极颗粒对集流体的粘结效果,提高活性物质利用率。对于锂硫电池,通过溶液聚合法将邻苯二酚侧基和磺酸甜菜碱侧链引入到线性共聚物中,利用各侧链间形成氢键、π-π堆积和静电络合作用获得具有强粘附力和高形变适应性的三维粘结剂网络。对锂离子扩散有促进作用、对聚多硫化锂有吸附作用的两性离子侧链能同时解决硫导电性差和聚多硫化锂穿梭效应两个问题。考察粘结剂的化学组成、力学性能、电解液浸润性和粘结效果,全面分析粘结剂分子结构对吸附聚多硫化锂和促进锂离子扩散的作用机理。结果表明,DSM粘结剂装配的高负载扣式电池(9.7mg·cm-2)在0.81 mAcm-2下的初始面积容量高达10.2 mAh·cm-2,经过70圈长循环后容量维持在7.2mAh·cm-2,实现了高能量密度和长循环寿命的锂硫电池的制备。利用邻苯二酚基团官能化的单体共聚技术能有效提高共聚物粘结剂的粘结效果,但单体制备过程需要严格排除氧气且涉及到萃取、重结晶、实时监控pH等繁琐步骤,因此这种方法局限性较大。针对这个问题,本文结合无皂乳液聚合技术和多巴胺自聚技术,在全氟烷基丙烯酸酯接枝的玉米淀粉乳液中原位生成聚多巴胺,获得具有强粘附力和可逆交联结构的三维粘结剂网络,应用于硅负极锂离子电池。考察粘结剂的化学组成、电解液吸液率、玻璃化转变温度和粘结效果,全面分析了接枝的全氟烷基侧链对抑制硅负极充放电过程中结构坍塌的作用机制。结果表明可通过调控多巴胺的添加量、粘结剂的玻璃化转变温度和电解液吸液率,使纯硅电极和硅-石墨、氧化亚硅-石墨混合电极达到最佳的电化学性能。为了兼顾粘结剂在硫电极和硅电极两方面的应用,实现比容量高、长循环稳定性好的正、负极材料的开发,设计了综合性能优异的聚合物粘结剂。利用溶液聚合法合成携带叔胺基团的二元线性共聚物,结合多巴胺原位自聚技术和酸致叔胺质子化后原位交联技术,获得具有强粘附力、快速力学性能自修复特性、快速聚多硫化锂吸附效果的三维粘结剂网络。考察粘结剂的化学组成、电解液吸液率、玻璃化转变温度、力学性能自修复效果和粘结效果,全面分析粘结剂的结构组成对吸附聚多硫化锂和维持硫/硅电极结构完整性的作用机制,在此基础上考评不同粘结剂装配电池的电化学性能。结果表明,A6D4-PA粘结剂玻璃化转变温度接近室温、自修复效率高(86.13%)、粘结性好,其叔胺侧链受酸诱导后产生的季铵阳离子对聚多硫化锂具有快速吸附效果,其装配的硫电极在1 C下经历300次循环后,容量仅损失9%。A8D2-PA粘结剂杨氏模量高、电解液吸液率低、粘结性好,能有效防止充放电循环过程中硅电极结构坍塌,其装配的纯硅电极在2 A·g-1下经过500次充放电,容量始终保持在设定值1000 mAh·g-1。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前16条
1 宋玉瑾,陈俊;铅—钙合金在含磷酸的硫酸电解液中的某些电化学性能[J];蓄电池;1990年03期
2 慕竣屹;金振兴;蔡克迪;;六氟磷酸电解液在超级电容器中的电化学性能研究[J];渤海大学学报(自然科学版);2011年01期
3 李世友;马培华;崔孝玲;伊文涛;;LiPF_6-LiBOB/EC+EMC+DMC体系的电化学性能[J];电池;2008年03期
4 张波;陈思婷;高学平;;离子液体对硫-超导炭黑复合材料电化学性能的影响[J];电化学;2010年01期
5 董向元;张恒瑞;陈祥;李硕;郭淑青;;水热碳化制备榴莲壳复合焦及其电化学性能[J];农业工程学报;2021年08期
6 官燕燕;高艳飞;李新芳;;活性炭/硫复合材料的制备及电化学性能研究[J];化工新型材料;2020年05期
7 张波;刘佳;刘晓晨;李德军;;硫在不同碳载体材料中的电化学性能研究[J];电化学;2019年06期
8 余仲宝;王维坤;王安邦;苑克国;杨裕生;;电解液对硫电极电化学性能的影响[J];电池;2006年01期
9 景海艇;郑晓冬;;硫化亚铁作为锂离子电池负极材料的电化学性能研究[J];化学工程与装备;2015年05期
10 景海艇;郑晓冬;;硫化亚铁作为锂离子电池负极材料的电化学性能研究[J];化学工程与装备;2015年06期
11 张君才;陈佑宁;耿薇;;电解液组成对锂离子电池电化学性能的影响[J];咸阳师范学院学报;2006年06期
12 武锐涛;;利用蛋白藻类制备生物碳及其电化学性能研究[J];山东化工;2020年13期
13 南文争;燕绍九;王继贤;彭思侃;;导电剂对富锂锰基材料电化学性能的影响[J];电源技术;2020年03期
14 殷立雄;蔺英;宋佳琪;李慧敏;白培杰;;SnS_2纳米片的可控合成及电化学性能研究[J];陕西科技大学学报;2019年04期
15 王海燕;尚天蓉;马帅帅;王初晗;蒯浩;;无模板法制备多孔聚苯胺及其电化学性能[J];兰州理工大学学报;2021年03期
16 王祝堂;;氢的物理化学性能[J];轻合金加工技术;2021年05期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 梁瑾;丁书江;;海胆状碳基亚钴酸镍纳米片复合空心粒子的制备及其电化学性能研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会:化学电源[C];2016年
2 陈剑;;过渡金属化合物在硫正极催化转换中的应用研究[A];2019第四届中国能源材料化学研讨会摘要集[C];2019年
3 蔺洪振;王健;杨晋;张跃钢;陈立桅;陈韦;;和频光谱在电化学能源器件界面研究中的应用[A];中国化学会2019能源材料和缺陷化学研讨会会议论文集[C];2019年
4 洪旭佳;蔡跃鹏;;双功能金属有机框架用于锂-硫电池中多硫化锂溶出的抑制[A];2018年中西部地区无机化学化工学术研讨会会议论文集[C];2018年
5 邢震宇;;基于锂热反应高性能硫化锂正极材料的制备[A];中国稀土学会2020学术年会暨江西(赣州)稀土资源绿色开发与高效利用大会摘要集[C];2020年
6 刘美男;叶方敏;张跃钢;;原位锂化法制备的Li_2S@C复合材料的电化学性能研究[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会:化学电源[C];2016年
7 江浩;;高稳定性二次电池电极材料介尺度结构的调控机制及性能[A];2019第四届中国能源材料化学研讨会摘要集[C];2019年
8 王韵珂;张克宇;李银;王丽;姚耀春;;钴含量对LiNi_(0.9)Co_xAl_(1-x)O_2(x=0,0.02,0.05.0.07,0.1)电化学性能的影响[A];中国化学会2019能源材料和缺陷化学研讨会会议论文集[C];2019年
9 鲁巍;邢艳;;表面修饰法辅助合成中空双壁二氧化锰纳米纤维及其电化学性能的研究[A];中国化学会第十七届全国胶体与界面化学学术会议论文(摘要)集(第二卷)[C];2019年
10 许虎君;李晓邦;;增溶剂对非离子/阴离子表面活性剂的表面化学性能影响[A];中国化学会第十七届全国胶体与界面化学学术会议论文(摘要)集(第三卷)[C];2019年
11 吴薇薇;张稚雅;孙中贵;石兴旺;王君;;TiO_2/C界面储锂及局部浓度梯度对Si负极电化学性能影响的研究[A];第五届全国新能源与化工新材料学术会议--2020全国能量转换与存储材料学术研讨会摘要集[C];2020年
12 李哲函;周兴;李娜;刘全生;;Fe~(2+)对胜利褐煤浆电化学性能的影响[A];第四届能源转化化学与技术研讨会摘要集[C];2021年
13 芮秉龙;聂平;张晶;赵翠梅;常立民;;新型硅碳复合材料的制备及其电化学性能研究[A];中国化学会第三届中国能源材料化学研讨会摘要集[C];2018年
14 吴兴隆;;钠离子电池高电压磷酸盐正极材料的设计制备与全电池匹配性研究[A];中国化学会第三届中国能源材料化学研讨会摘要集[C];2018年
15 米立伟;卫武涛;陈卫华;;三维分等级镍钴基电极材料构筑及电化学性能研究[A];2018年中西部地区无机化学化工学术研讨会会议论文集[C];2018年
16 张虎成;贾焕丽;严芳芳;程海霞;王键吉;;V_2CT_x基材料合成及其电化学性能研究[A];中国化学会第十九届全国化学热力学和热分析学术会议论文摘要集[C];2018年
17 王德文;韩策;邢志财;李群;杨秀荣;;温度诱导二硫化钨薄片形貌以及电化学性能的改变[A];中国化学会第十三届全国分析化学年会论文集(一)[C];2018年
18 陈卓;郑金鑫;王猛;张达;赵荣慧;张新宇;邓奎林;;果胶/聚丙烯酰胺基导电水凝胶的电化学性能表征[A];中国化学会第十四届全国电分析化学学术会议会议论文集(第三分册)[C];2020年
19 袁靖钧;高平;吕燊燊;冯鑫;任波;刘恩辉;谭松庭;;新型卟啉配合物正极材料的合成与电化学性能的研究[A];第33届全国化学与物理电源学术年会摘要集[C];2019年
20 武守强;张舒雅;刘翠;闫慈;陈文婷;姜琰锋;武梦婕;张鑫;陶绪泉;;基于二硫化钼复合材料制备及电化学性能[A];第33届全国化学与物理电源学术年会摘要集[C];2019年
中国博士学位论文全文数据库 前20条
1 金碧玉;仿贻贝聚合物的制备及其自修复性能和电化学性能研究[D];浙江大学;2020年
2 李国春;硫基复合材料制备与电化学性能研究[D];南开大学;2013年
3 于博;钼基纳米复合材料的构筑及其电化学性能的研究[D];电子科技大学;2021年
4 刘潇彧;钒基化物及其碳复合材料的制备和电化学性能研究[D];大连理工大学;2021年
5 刘洋;碳载金属基材料多硫化锂转化调控及机制研究[D];大连理工大学;2021年
6 王茂旭;金属氧(硒)化物的制备及其在锂硫电池中的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2020年
7 王健;三维碳基高性能锂硫电池的设计制备及其原位表征[D];中国科学技术大学;2019年
8 于明亮;用于高能量锂二次电池的硫化锂/碳复合正极制备与反应动力学调控[D];大连理工大学;2019年
9 李芬;多硫化锂的捕获和抑制机制的第一性原理研究[D];大连理工大学;2018年
10 王春丽;氧化钼基复合材料的制备及应用于锂硫电池研究[D];中国科学技术大学;2019年
11 汪东煌;锂硫电池硫化锂/碳复合正极材料的制备及其电化学性能研究[D];浙江大学;2018年
12 何孟雪;锂硫电池的穿梭效应抑制及循环稳定性能研究[D];哈尔滨工业大学;2021年
13 高建新;铝、镁负极在水系电解液中的界面行为及电化学性能研究[D];大连理工大学;2021年
14 何斌;高稳定性硫正极材料的设计合成及其电化学性能研究[D];大连理工大学;2018年
15 傅儒生;新型结构硅基负极材料制备及电化学性能研究[D];中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所);2018年
16 潘虹;正极载体材料及表面修饰对锂硫电池电化学性能的影响[D];哈尔滨工业大学;2018年
17 张瀚;锂硫电池正极材料的组成与结构调控及电化学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
18 李璐;二维层状Ti_3C_2的结构设计及其电化学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2019年
19 张继君;过渡金属氧化物纳米结构的可控合成和电化学性能研究[D];电子科技大学;2019年
20 周泽平;介孔碳/过渡金属化合物复合材料的制备及电化学性能研究[D];浙江工业大学;2019年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 张俊凡;基于金属有机框架复合碳材料的制备及其电化学性能的研究[D];河北工业大学;2020年
2 花俊夫;锂硫电池隔膜修饰及正极改性研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
3 王育天;基于细菌纤维素的硫化锂自支撑电极构筑及电化学性能研究[D];杭州电子科技大学;2021年
4 李智;金属硫/氧化合物修饰锂硫电池隔膜及其电化学性能研究[D];上海电力大学;2020年
5 况成伟;碘基复合材料的制备及电化学性能研究[D];重庆大学;2019年
6 杨丽倩;二维硅材料的制备及电化学性能[D];大连理工大学;2021年
7 陈晓梅;钴基双金属氧化物材料的合成及其电化学性能研究[D];河北农业大学;2020年
8 吴丽君;纳米四氧化三钴的可控制备及其电化学性能研究[D];湘潭大学;2013年
9 李玉惠;碳/硫复合物的制备及其电化学性能研究[D];中南大学;2014年
10 朱康帅;自修复聚乙烯亚胺作为锂硫电池粘结剂的研究[D];哈尔滨工业大学;2021年
11 朱建忠;碱金属钒酸盐的合成、结构与电化学性能研究[D];华南理工大学;2020年
12 邵智韬;MoSe_2基复合材料的制备及其电化学性能研究[D];哈尔滨师范大学;2021年
13 尹凯利;多孔二氧化钛的可控合成、改性及其应用于锂硫电池[D];武汉理工大学;2018年
14 王伟哲;氟化碳纳米管/碳纳米管海绵材料制备及锂硫电池性能研究[D];天津大学;2018年
15 刘志轩;锂—硫电池正极材料制备及研究[D];华中科技大学;2017年
16 康会敏;石墨烯/碳化钛衍生碳复合材料的制备及其电化学性能研究[D];燕山大学;2014年
17 张晓;二硫化钼电极材料的制备及电化学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
18 白立崇;碳基复合材料的制备、掺杂及其电化学性能的研究[D];青岛科技大学;2021年
19 李朝阳;纳米碳基复合锂硫电池电极的合成及其电化学性能研究[D];湘潭大学;2020年
20 刘磊;镍钴过渡金属化合物的制备及其电化学性能研究[D];燕山大学;2017年
中国重要报纸全文数据库 前20条
1 记者 张雪;行业景气需求旺盛 电解液龙头天赐材料拟斥55亿元扩产[N];上海证券报;2021年
2 记者 陈扶摇;电解液产业进入良性轨道[N];上海证券报;2013年
3 康凯 本报记者 游中堂;金晖锂电:致力技术创新 打造锂电高地[N];抚州日报;2022年
4 本报记者 魏静;特斯拉“中国风”吹向“电解液”[N];中国证券报;2013年
5 每经记者 王琳;振华股份拟买锂电池电解液公司控股权[N];每日经济新闻;2021年
6 本报记者 陈曦 通讯员 张华;新型电解液或解决可充型锌电池规模应用难题[N];科技日报;2021年
7 每经记者 郭荣村 每经实习记者 安宇飞;天赐材料去年净利预增3倍左右 主要产品电解液还会“热”多久?[N];每日经济新闻;2022年
8 本报记者 任明杰;锂电池电解液下月大幅提价概率大[N];中国证券报;2015年
9 本报记者 刘照普;电解液产能世界第一 江苏国泰核心材料十月中试[N];华夏时报;2010年
10 本报记者 李阳丹;锂电池电解液产能增长有限[N];中国证券报;2009年
11 本报记者 李东华;年产20万吨锂电池电解液及配套项目签约[N];淮南日报;2021年
12 特约记者 夏寅;华芳纺织锂电光环暗淡 技术定调前后“互搏”[N];21世纪经济报道;2011年
13 本报记者 武卫红;天赐材料拟建20万吨锂电池电解液项目[N];中国证券报;2021年
14 记者 刘万生 通讯员 常娜娜;科学家研发出耐低温水系锌基电池电解液[N];中国科学报;2020年
15 记者 吴江怀;中肖康鹏1万吨电解液项目竣工 北斗星化学新材料奠基[N];衢州日报;2016年
16 ;国泰华荣公司跻身世界行业三强[N];江苏科技报;2007年
17 本报记者 郑恩红;打通责任落实最后一毫米[N];中国航天报;2019年
18 本报记者 赵文博;无机电解液锂电池技术有何奇妙?[N];新能源汽车报;2019年
19 记者 刘霞;科学家利用超薄沸石纳米片造出高效催化剂[N];科技日报;2012年
20 本报记者 华凌;电解液:为电池安全“保驾护航”[N];科技日报;2018年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978