基于不同锂盐的离子凝胶准固态电解质的制备及性能研究

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现阶段,锂离子电池在新能源电动汽车、电子产品或清洁能源储能设备等领域具有广阔的发展前景,然而电解质的性能及安全性正逐渐成为影响锂离子电池发展的桎梏。因此,亟需研发出新型电解质以解决上述问题。离子凝胶电解质作为一种新型准固态电解质,结合了离子液体和固态基质的特性,不仅拥有离子液体良好的电化学性能和热稳定性,而且表现出固态基质的高机械强度。更重要的是,离子凝胶电解质能在一定程度上改善电解质的电化学性能,如电化学窗口等。因此,离子凝胶电解质受到科学界越来越多的关注。本文通过探索制备基于不同锂盐的离子凝胶准固态电解质,并借助扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TG)、电化学工作站等仪器对其进行结构表征及性能测试,旨在探究综合性能较优的离子凝胶准固态电解质。主要研究内容与结果如下:(1)分别将双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟磷酸锂(LiPF6)与1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([Emim][TFSI])离子液体配制成电解液,以MCM-41分子筛为固态基质,并通过浸渍法将两者结合制备出无机纳米离子凝胶电解质(Inorganic Nano Ionogel Electrolytes),简称为IGE准固态电解质。实验结果表明:含有LiDFOB锂盐的无机纳米离子凝胶电解质IGE-LiDFOB综合性能较佳。第一,电解质的热稳定性良好,热分解温度可达340℃。第二,电解质的电化学性能良好,离子电导率可达1.558×10-3S·cm-1,电化学稳定窗口可达5.492 V(vs.Li/Li+),循环可逆性、抗锂枝晶性能及抗铝腐蚀性能良好。第三,其制备的半电池可稳定循环1200圈,比容量接近137 m Ah·g-1,库伦效率接近100%;倍率性能良好。(2)以聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)为聚合物基体,1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([Emim][TFSI])离子液体为增塑剂,MCM-41分子筛为填料,并分别加入双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟磷酸锂(LiPF6),通过溶液浇注法制备出无机-有机复合离子凝胶电解质(Inorganic-Organic Composite Ionogel Electrolytes),简称为IGPE准固态电解质。实验结果表明:含有LiDFOB锂盐的无机-有机复合离子凝胶电解质IGPE-LiDFOB综合性能较佳。第一,电解质的热稳定性良好,热分解温度可达200℃。第二,电解质的电化学性能良好,离子电导率可达6.652×10-3S·cm-1,电化学稳定窗口为4.585 V(vs.Li/Li+),循环可逆性、抗锂枝晶性能及抗铝腐蚀性能良好。第三,其制备的半电池循环2262圈以后的比容量为123 m Ah·g-1,保持初始比容量的81%,库伦效率接近100%;倍率性能良好。
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