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锂离子电池新型凝胶聚合物电解质的改性研究

刘建生  
【摘要】:在便携式电器领域应用的巨大成功,促进了锂离子电池向大型储能和动力电源方向发展,但是由于目前锂离子电池存在漏液以及在过充、针刺和挤压等安全型测试中存在易燃易爆的危险,解决电池的安全问题显得非常迫切。凝胶聚合物锂离子电池由于具有良好热稳定性和机械稳定性、特别是可靠的安全性能受到研究者的重点关注。 为提高凝胶聚合物电池的离子电导率和电解质与电极的兼容性,本论文制备出几种新型的聚合物及其相应的聚合物隔膜和凝胶聚合物电解质(GPE)。通过热重分析(TG)及红外光谱(FTIR)等方法表征了聚合物的性质;采用吸液率测试、扫描电镜(SEM)、交流阻抗(AC)和电池充放电实验等方法研究了聚合物膜和相应凝胶聚合物电解质的性质,得到如下结果: (1)采用乙酸丁酸纤维素(CAB)对聚偏氟乙烯(PVDF)进行共混改性,用共溶剂法制备了聚烯烃(PE)隔膜支撑聚合物膜,研究了共溶剂体系和聚合物的共混比例对GPE性能的影响。结果表明,在以N, N-二甲基甲酰胺(DMF)分别与乙醇、丙酮和碳酸二甲酯(DMC)为共溶剂的体系中,当共溶剂体系为DMF:DMC=9:1时制备的聚合物隔膜的具有稳定和丰富的微孔体系。当PVDF:CAB=2:1时制备的GPE具有最高的电导率2.48×10~(-3)S·cm~(-1),在不锈钢电极上的氧化分解电位大于5.0V (vs. Li/Li~+),与电极的界面具有良好的稳定性,使用该GPE的锂离子电池循环性能、高温性能和倍率放电性能均得到明显改进。 (2)以甲基丙烯酸甲酯(MMA)与丙烯腈(AN)进行共聚,利用乳液聚合法制备交联共聚物P(AN-co-MMA),将该聚合物的DMF凝胶溶液涂布到聚烯烃(PE)隔膜上,用相转移的方式制备得PE支撑聚合物膜,研究了聚合物单体的比例对GPE性能的影响。结果表明,当单体AN和MMA的比例为4:1时,获得的共聚物P(AN-co-MMA)具有最好的性能,在270℃范围内有很好的热稳定性;PE支撑的聚合物隔膜具有良好的交错相连的微孔结构,吸液率达到150%,室温电导率2.0×10~3S·cm~(-1)。用该聚合物隔膜制备的GPE在不锈钢电极表面的氧化分解电位为5.5V (vs. Li/Li~+),与电极具有良好的兼容性,电池的循环和倍率放电性能得到提高。 (3)添加纳米Al_2O_3对P(AN-co-MMA)进行掺杂改性,制备PE支撑P(AN-co-MMA)/Al_2O_3复合聚合物膜,研究了纳米粒子添加量对GPE性能的影响。结果表明,添加10%纳米Al_2O_3能有效改善聚合物膜的结构,将隔膜的吸液率提高到280%,同时将凝胶聚合物电解质的电导率提高到3.2×10~3S·cm~(-1),纳米粒子的添加也提高了GPE的氧化稳定性(从5.5V提高到5.7V)及与电极的兼容性,将电极界面阻抗从520Ω·cm~2减少至160Ω·cm~2,这些性能的提高促进了锂离子电池综合性能的改善。 (4)采用乙酸乙烯酯(VAc)与丙烯腈(AN)进行共聚改性,用乳液聚合法合成交联共聚物P(AN-co-VAc),以此聚合物用相转化法制备P(AN-VAc)聚合物自支撑膜,并用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行表面复合改性,得到复合型聚合物膜P(AN-co-VAc)/PMMA,研究了共聚单体的比例及PMMA复合对凝胶电解质的影响。结果表明:当单体AN:VAc=7:3时,制备的聚合物膜的机械拉伸强度达到15MPa,基本满足电池的应用要求。PMMA的复合能有效提高凝胶聚合物电解质的综合性能,GPE电导率从1.4×10~(-3)S·cm~(-1)提高到1.88×10~(-3)S·cm~(-1),在不锈钢电极上的氧化稳定性从4.8V提高到5.2V (vs. Li/Li+),并且以该GPE制备的聚合物锂离子电池具有良好的循环稳定性能。


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