PAN基聚合物钠离子固态电解质的研究

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钠元素丰度高、环境友好,钠(离子)电池和锂(离子)电池相比有成本低,资源丰富的优点,因此近年来很受研究者的关注。当前,钠离子电池多采用可燃性液态电解质,安全性能较差,不利于其应用推广。使用固态电解质来取代传统的有机电解液可以有效提高钠离子电池的安全性能,而且可以使用高比容量的金属钠为负极,大幅提高电池的能量密度,因此,固态钠电池成为当前储能领域的研究热点之一。然而,固态钠电池的发展受限于高电导率和易加工的钠离子固态电解质的开发。钠离子固态电解质主要分为有机和无机两大类,无机钠离子电解质一般电导率较高,但是通常脆且厚,加工性较差,不适合大规模应用。有机聚合物固态电解质易加工成薄膜,且有着优异的柔韧性,和电极的接触电阻小,适合大规模的应用在电池中。然而,有机聚合物固态电解质通常室温下离子电导率低,力学性能较差。因此,合理设计和制备离子电导率高、力学性能优异的有机聚合物固态电解质对固态钠电池的发展至关重要。本文以制备高离子电导率、优异机械性能的钠离子聚合物固态电解质为目标,用静电纺丝的方法制备了聚丙烯腈(PAN)聚合物钠离子固态电解质,分别研究了电解质盐浓度、多种聚合物共混、以及无机相掺杂对PAN基聚合物固态电解质性能的影响。研究内容具体包括以下几个部分:首先,将静电纺丝法与冷压法相结合制备出PAN/高氯酸钠(NaClO4)固体聚合物电解质。通过研究发现,静电纺丝法制备的PAN固态电解质薄膜具有低的聚合物结晶度,以及良好的力学性能,拉伸延长率为115%。3 mN压力条件下,探针压入深度为1560 nm。我们还发现静电纺丝法制备的PAN固态电解质的离子电导率随着钠盐(NaClO4/乙二醇二甲醚(DME))浓度先增加后减小,当NaClO4/DME浓度为2 mol时,PAN/NaClO4聚合物固态电解质室温离子电导率达到最高值2.24×10-4 S cm-1,显著高于目前文献报道。其次,通过将PAN与聚偏氟乙烯(PVDF)共混,利用静电纺丝法与冷压法结合制备出PAN&PVDF/NaClO4聚合物固态电解质。通过研究发现,PVDF的引入有效改善了PAN聚合物固态电解质的拉伸性能与弹性性能。当PAN与PVDF的质量比为1:3时,PAN&PVDF/NaClO4聚合物固态电解质的拉伸延长率为180%,力学强度为28 Mpa,比PAN/NaClO4高出56%。3 mN压力条件下,探针压入深I度为3375 nm,为PAN/NaClO4电解质的2.16倍。当NaClO4/DME浓度为1.5 mol时,PAN&PVDF/NaClO4聚合物固态电解质的离子电导率可达1.29×10-4 S cm-1。最后,本工作还研究发现通过在PAN基聚合物固态电解质体系中引入碳量子点(CQDs)可以有效地降低聚合物的结晶度,从而提高电解质的离子传输速率。当CQDs含量为2wt%时,PAN&PVDF/NaClO4复合聚合物固态电解质的离子电导率最高达6.8×10-5 S cm-1。聚合物固态电解质的硬度为0.037 Gpa,2 mN压力条件下,探针压入的深度为2206 nm。
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