环氧基固态电解质的制备及性能研究

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固态电解质具有诸多优良的性质,如成膜性好、质量轻、无漏液、不燃、粘弹性好和安全性高等,对这些材料的研究有助于研究生物膜中离子转运的机制。因此,固态电解质的研究在理论需求和实际应用方面都非常重要。本文的研究目的是制备具有优异机械性能,高电化学稳定性和高导电性的固态电解质。在制备固态电解质之前,合成了三种离子液体:1-胺乙基-3-甲基咪唑溴盐(C2NH2MImBr)、1-丙基-3-甲基咪唑溴盐(PMImBr)和1-丙基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐(PMIm-TFSI)。探讨了这些离子液体的温度变化对电导率、电化学稳定性的影响及其变化规律发现,室温下,PMIm-TFSI的电导率最高,电化学稳定窗口最宽。以环氧树脂为基体,添加上述离子液体后制备固态电解质,研究固态电解质的性能与离子液体种类、含量、锂盐含量、温度的关系。对于含Br-离子液体来说,通过力学性能测试和电导率测试发现,在离子液体含量相同的情况下,添加PMImBr的固态电解质的综合性能要优于添加C2NH2MImBr的固态电解质。通过热失重测试发现,添加C2NH2MImBr的固态电解质的热稳定性要好于添加PMImBr的固态电解质,但是热分解温度较高,并不影响电解质日常使用。由前面研究发现,C2NH2MImBr和PMImBr的电导率要低于PMIm-TFSI,推断认为,将离子液体加到环氧树脂中制备固态电解质后,其电导率性能也应有如上规律。在上述基础上,进一步研究证明,当添加17 mass%锂盐时,添加PMIm-TFSI固态电解质的电导率和拉伸强度优于添加PMImBr的固态电解质,断裂伸长率的变化则相反。继续研究锂盐含量对固态电解质的电导率的影响,并基于本课题是制备一种力学性能和电导率性能均衡的固态电解质的目的,确定了PMIm-TFSI含量为60 mass%,锂盐含量为10 mass%为固态电解质的最佳配比,并在此基础上添加多壁碳纳米管(MWCNTs)进一步提高固态电解质的性能。测试结果发现,添加MWCNTs含量为0.5 mass%时,可以同时具有最高的电导率、最高的容量、最高的断裂伸长率和较高的拉伸强度。所以本课题最终确定固态电解质的最佳配比为:PMIm-TFSI含量为60 mass%、锂盐含量为10 mass%和MWCNTs含量为0.5 mass%。
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