锂离子电池用硅甲氧基聚环氧丙烷电解质的制备和性能表征

摘要

聚合物电解质是锂离子电池的关键组成部分之一，具有隔绝正负极片、避免电池短路和提供锂离子传输的作用。本论文通过添加液体增塑剂、无机纳米材料和塑性晶体设计并制备了以硅甲基甲氧基封端的低聚环氧丙烷（BSPPO）为基体凝胶、复合凝胶、复合固态聚合物电解质。采用红外光谱（FTIR）、差示扫描（DSC）、热重分析（TGA）、交流阻抗、线性伏安扫描（LSV）、极化电流-时间曲线等方法分别对聚合物电解质的结构、物理性能、电化学性能及电池性能进行了测试。该聚合物电解质不仅表现出较高的力学强度和热稳定性，还具有较高电化学稳定性，良好的离子电导率以及高的离子迁移数。主要研究内容如下：
　　（1）化学交联法制备了 BSPPO基凝胶聚合物电解质（ BSPPO-LiBOB-PC），并且考察了聚合物电解质结构与性能的关系。研究结果表明，当聚合物电解质中-O/Li摩尔比为8:1，PC质量分数为15％时，其室温离子电导率最高，可达7.55×10-4 S cm-1，此时，其具有较宽的电化学稳定窗口（4.6 V vs. Li+/Li），高的锂离子迁移数（tLi+=0.56），良好的力学强度（1.12 MPa）和热稳定性。Li-LiFePO4电池具有良好的循环稳定性和倍率性能，1000次循环后容量保持率为80%，在2 C下放电容量为80 mAh g-1。
　　（2）添加纳米 Al2O3制备了 BSPPO基复合凝胶聚合物电解质（ Al2O3-BSPPO-LiBOB-PC）。研究结果表明，当 Al2O3纳米粒子质量分数为15%时，该凝胶聚合物电解质室温离子电导率最高，可达1.1×10-3 S cm-1，电化学稳定窗口为4.8 V（vs. Li+/Li），离子迁移数为0.61，同时表现出较高的拉伸强度（1.53 MPa）和良好的热稳定性。Li-LiFePO4电池具有良好的循环稳定性和倍率性能，100次循环后容量保持率为95%，在2 C下放电容量为95 mAh g-1。说明纳米Al2O3不仅提高电解质的力学强度，而且还改善了电解质的离子电导率以及其与金属锂的界面稳定性。
　　（3）化学交联法制备了掺杂塑性晶体丁二腈的 BSPPO基复合固态聚合物电解质（BSPPO-SN-LiBOB），丁二腈的加入有效的提高了聚合物电解质的离子电导率。研究结果表明，当丁二腈含量为30 wt%时，该聚合物电解质室温离子电导率最高，可达5.3×10-4 S cm-1，此时，聚合物电解质室温和高温下都表现出良好的电化学稳定性（>5 V vs. Li+/Li），较高的锂离子迁移数（25℃下tLi+为0.24，50℃下tLi+为0.32，80℃下tLi+为0.42）以及良好的热稳定性。Li-LiFePO4电池在25℃下表现出较好的循环稳定性（放电倍率：0.1 C），50次循环后容量保持率为96.3%；50℃和80℃下电池表现出良好循环稳定性（放电倍率：0.5 C）和倍率性能，100次循环后容量保持率分别为92%和90%，在1 C下放电容量分别为103 mAh g-1和112.8 mAh g-1。Li-LiFe0.2Mn0.8PO4电池在50℃下表现出较好的循环稳定性（放电倍率：0.5 C）和优异的倍率性能，200次循环后容量保持率为81%，在3 C下放电容量为91.6 mAh g-1。

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符号说明

1绪论

1.1引言

1.2锂离子电池概述

1.3聚合物电解质

1.4本论文研究目的和意义

1.5本论文的研究思路和内容

2实验部分

2.1实验原料及主要仪器设备

2.2极片的制备

2.3性能测试

3 BSPPO基凝胶聚合物电解质的制备和表征

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4 BSPPO基复合凝胶聚合物电解质的制备和表征

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5 BSPPO基复合固态聚合物电解质的制备和表征

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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