光固化聚合物基固态电解质用于锂二次电池

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锂离子电池由于存在易燃、易挥发的电解液而具有不安全性,开发固态电解质是解决该问题的有效办法之一。聚合物固态电解质因其易加工、柔顺性而成为首选材料,其中PEO基聚合物电解质的研究最为普遍,但是PEO存在室温下电导率低、机械性能差等缺点。低聚物PEGDA添加到聚合物电解质中,可以保持电解质膜的柔韧性并且当作交联剂时可以提高机械强度。离子液体因其离子电导率高、热力学性能稳定等优点,被用作聚合物电解质中的添加剂。本文采用PEGDA作为交联剂,通过紫外光引发聚合的方法制备了不同质量比的PEO基聚合物固态电解质膜(SPE),同时为提高电解质膜的离子电导率掺杂离子液体BVIm-TFSI在30%PEGDA/PEO体系中。通过物理表征(XRD,FTIR,拉伸应力,SEM,TG)与电化学表征(EIS、LSV、CV)选用综合性能最佳的电解质组装Li/SPE/LiFePO4全固态电池,在65下测试电池循环性能和倍率性能。现得出结论如下:(1)采用紫外光交联的方法制备了PEGDA/PEO/LiTFSI SPE膜,通过FTIR测试分析可知PEGDA成功交联,半互穿聚合物电解质膜制备成功。通过拉伸应力分析、SEM、TG等表征可知改性的PEO基SPE机械性能得到提高。(2)对Pt/SPE/Pt结构进行交流阻抗测试计算得到离子电导率,交联聚合物膜室温下电导率得到提升,其中加入20%PEGDA的电解质的离子电导率达到1.97×10-5 S/cm,电化学窗口达到4.2 V。组装的Li/20%PEGDA-PEO/LiFePO4电池在0.1 C时首次放电比容量为148 mAh/g,库仑效率为98%,经过40圈循环之后,放电比容量几乎没有损失,保持在145 mAh/g,库伦效率高达94.8%。倍率测试中,在0.1 C,0.2 C,0.3 C时,放电比容量分别为148 mAh/g,150 mAh/g,150 mAh/g。(3)使用乙烯基咪唑合成咪唑类离子液体BVIm-TFSI,在30%PEGADA/PEO中加入离子液体BVIm-TFSI,采用紫外光照射交联的方法制备SPE膜,通过FTIR测试分析可知BVIm-TFSI成功合成。拉伸应力结果表明掺杂BVIm-TFSI虽然降低了膜的拉伸应力但是提高了拉升应力。(4)通过离子电导率测试结果表明掺杂离子液体BVIm-TFSI的SPE的离子电导率得到提升,其中40%BVIm-TFSI的SPE膜在30下离子电导率达到8.7×10-5 S/cm,80下达到4.4×10-4 S/cm。选用综合性能最佳的掺杂40%BVIm-TFSI电解质膜组装Li/SPE/LiFePO4全固态电池,在0.1 C时,首次放电比容量为153 mAh/g,库仑效率为97%,经过35圈循环之后,放电比容量为130mAh/g。倍率测试中,充放电电流为0.1 C,0.2 C,0.3 C时,放电比容量分别为160mAh/g,162 mAh/g和160 mAh/g。
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