锂离子电池聚合物电解质的改性制备及其性能研究

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随着绿色新能源产业的发展,对二次储能电池的安全性与能量密度要求越来越高。目前市场广泛运用的电池还是以液态电解质为主,在充电或者高温环境下容易爆炸与燃烧,存在较大安全隐患。因此,对聚合物电解质的研究成为锂电池研究热点之一,聚合物电解质具有高安全性与高能量密度,有望解决目前锂电池安全应用问题。单一聚合物总是在某些方面不能满足锂电池的工作要求,需要对其进行改性研究,使制备出的聚合物电解质具有优异的电池循环性能。传统制备固态电解质的方法耗费大量有机溶剂,成型时间较长。采用的超临界CO2(ScCO2)相分离法,ScCO2作为反溶剂,溶解体系中的有机溶剂,从而实现聚合物有机多孔膜的相分离及孔的形成。同时,电解质的成型与干燥过程可以通过ScCO2法一步解决,大大缩减了制备的时间。本文采用ScCO2相分离法制备了共混改性聚合物电解质和添加无机填料聚合物电解质,考察了实验温度、压力、共混量和无机纳米填料添加量对聚合物电解质性能产生的影响,主要工作与结论包括以下内容:选择聚偏氟乙烯-六氟丙烯P(VDF-HFP)聚合物为基体,溶解在N,N二甲基甲酰胺(DMF)中,制得质量浓度为15%的溶液。考察了超临界温度与压力对制备电解质的孔隙率、吸液率、微观形貌与离子电导率的影响。确定最佳实验温度为35℃,实验压力为23 MPa。与聚合物聚氧化乙烯(PEO)共混改性,考察不同PEO质量分数的共混聚合物电解质,对其物理与电化学性能的影响。当PEO含量为15 wt%时,共混聚合物结晶度降低,孔隙率为75.65%,吸液率最大值为460.11%,此时离子电导率达到最大值为5.13 m S/cm。将含量为15%PEO的共混聚合物电解质组装成完整电池,在0.1 C、0.2C、0.5 C、1 C、2 C和0.1 C倍率下测试倍率循环性能,与单一聚合物P(VDF-HFP)电解质相比较,共混聚合物电解质的的容量降速小,而且在高倍率循环后恢复到0.1 C倍率循环,放电容量仍能达到150.7 m Ah/g,说明共混改性后的电解质具有较好的高倍率循环性能。在1 C倍率下充放电70圈后,容量保持率为95.6%,具有较好的充放电性能。蒙脱土(MMT)的有机改性可以使其层间距增大,改性后MMT更易于分散在电解质中。通过十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性MMT,改性后的MMT孔径变大,比表面积减小,层间距增大。在P(VDF-HFP)与PEO共混聚合物电解质中添加不同质量分数MMT制备电解质,考察蒙脱土对制备聚合物电解质的性能影响。添加MMT质量分数为2 wt%时,成孔数量最多,此时孔隙率最大为82.96%,吸液率为482.91%。但当MMT含量超过2 wt%,MMT颗粒出现团聚现象,所以确定最佳无机填料的添加量为2 wt%。电导率最大达到6.47 m S/cm,电化学稳定窗口为5.5 V。首圈电池的充放电容量为161.4m Ah/g、153.9 m Ah/g,首圈的容量效率为95.4%。在1 C倍率下与商业PP隔膜循环100圈对比,初始稳定的容量为130.2 m Ah/g,降为126.6 m Ah/g,容量保持率为97.2%。放电容量一直高于商业PP隔膜,说明经过添加MMT改性电解质具有很好循环性能。
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