锂离子电池用耐热隔膜和聚合物电解质的制备及性能研究

摘要

本文主要对高耐热性的锂离子电池用聚合物隔膜和聚合物电解质开展研究。设计制备了两种高性能隔膜，分别为热固性树脂基高耐热隔膜和高安全性有机-无机复合隔膜；设计制备了两种聚合物电解质体系，分别为耐热型刚柔并济聚合物凝胶电解质体系和硅氧基自交联聚醚的全固态电解质体系。采用核磁共振、傅里叶变换红外光谱、示差扫描量热、热失重、扫描电镜等物理化学测试手段以及交流阻抗谱图、计时电流法和线性扫描伏安等测试方法，研究了隔膜和聚合物电解质的化学结构、表面形态、热性能以及电化学性能，并进一步研究了这些电解质体系在锂（离子）电池中的应用情况，分析了原料配比以及合成制备工艺条件对目标隔膜和聚合物电解质性能的影响，重点考察了其应用于电池器件的高温运行性能，使其在具备良好电化学性能和力学性能的同时，实现隔膜和电解质的高安全性，使其具有良好的应用前景。
　　本研究主要内容包括：⑴通过反应性静电纺丝的方法设计、合成制备了本征耐热阻燃的三聚氰胺甲醛树脂基隔膜。研究发现，通过加入增稠剂和控制三聚氰胺和甲醛的配比以及反应程度，可以制备本征耐热和高吸液率的隔膜。相比于商用的 PP隔膜，该隔膜具有更高的离子电导率(0.79 mS/cm),更宽的电化学稳定窗口（4.7 V），更高的孔隙率和优异的电解液润湿性和吸液率。而且180℃热机械变形温度和38％氧指数表明其可以有效的提升电池的安全性。最重要的是，该隔膜可以有效的提升锰酸锂/石墨电池的循环稳定性，XPS和EDS结果表明该隔膜可以有效吸附锰酸锂溶解在电解液中的Mn2+，阻止其在石墨负极上沉积，降低了锂的脱嵌阻力，有效改善了循环性能。另外，该隔膜用于LiFePO4/Li电池中，电池在120℃高温下运行稳定性良好，表明该隔膜可以有效提升电池的热稳定性和安全性。⑵将聚酰胺酸涂覆在由抄纸法制得的超薄的玻璃纤维膜表面制备了高性能耐热的有机无机复合隔膜。研究结果表明这种厚度为45μm的复合隔膜，具有良好的力学强度和改性后的多孔结构，并且这种隔膜具有优异的耐热性和阻燃性。相比于商用的PP隔膜，该隔膜在150℃下无收缩。同时该复合隔膜显示了良好的电解液润湿性和电化学稳定性。将该复合隔膜应用于LiFePO4/Li和LiFePO4/石墨组成电池中进行性能测试，结果表明该隔膜可以有效提升电池的倍率性能，并且在120℃高温下循环稳定性良好，显示了良好的耐热安全特性。⑶通过结构设计，制备了以玻璃纤维膜为骨架的刚柔并济的聚乙烯醇氰乙基醚为基体聚合物的耐热聚合物电解质。研究结果表明该聚合物电解质具有良好的力学强度和优异的热尺寸稳定性（>200℃）。而且在配合EC/DMC的溶剂体系后，该凝胶电解质体系的离子电导率为0.89 mS/cm，离子迁移数高达0.86，电化学稳定窗口为4.8 V。将其用在LiCoO2/石墨电池中显示了优秀的循环稳定性和倍率性能。更重要的是，将其用于LiFePO4/Li中，在120℃高温下同样显示了优秀的循环稳定性和倍率性能，该电解质非常具有应用前景。⑷将具有活性硅甲基封端的聚醚液体聚合物（TSPPG）与锂盐制备具有柔性交联结构的聚合物电解质体系，发现该聚醚在配合LiBOB后可以实现自行交联，形成具有良好力学强度的固态电解质。研究表明，在LiBOB/TSPPG的摩尔比为1/10，反应温度在40℃时可以得到电化学性质和力学性能较好的电解质（CSPE）。该电解质体系具有较低的玻璃化温度（-48℃）,良好的离子电导率（10-5 S/cm）。并进一步利用塑性晶体进行掺杂制备了复合固态电解质（N-CSPE），并与 PEO基固态电解质进行了对比，发现应用与LiFePO4/Li电池中，CSPE和N-CSPE在常温下和100℃高温下都显示了良好的循环稳定性和倍率性能。说明柔性交联结构的电解质将是非常有发展前景的固态电解质体系。

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绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概况

1.3 锂离子电池电解质体系

1.4 锂离子电池隔膜和有机电解液体系

1.5 锂离子电池聚合物电解质

1.6 结束语

1.7 本课题研究的目的和意义

1.8 本论文的研究思路及内容

第2章 实验材料及表征方法

2.1 实验材料

2.2 材料表征设备及方法

2.3 电化学表征设备及方法

第3章 三聚氰胺树脂基阻燃耐热隔膜的制备及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 耐热阻燃的聚酰亚胺/玻璃纤维复合隔膜的制备与性能研究

4.1引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 PVA-β-CN基聚合物电解质的制备及其性能研究

5.1 引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 柔性自交联全固态聚合物电解质的制备及性能研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3结果与讨论

6.4本章小结

全文结论和创新点

1、全文结论

2、创新点：

参考文献

致谢

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