关键词： 聚合物固态电解质   锂电池   研究进展   发展应用前景  

摘要： 本文综述了有机聚合物固态电解质的研究进展，主要内容包括固态电解质的类别与特点、优劣势与性能要求，以及不同种类聚合物固态电解质的性质。根据聚合物的分子结构，可将其分为聚醚类、聚碳酸酯类、聚酰胺类、聚硅氧烷类、聚丙烯酸酯类等，不同分子链结构的聚合物固态电解质在材料与锂电池性能表现上各有特点。此外，本文还分析了聚合物固态电解质的研究难点，指出了目前在材料开发和固态电池应用中存在的不足，并展望了其未来发展应用前景。

关键词： 锂离子电池   聚合物   电解质   室温  

摘要： 目前,大多数聚合物固态电解质在室温下离子电导率较低,约为10^(–8)~10^(-6) S/cm,且对温度存在着较大的依赖性,仍无法满足高性能室温固态锂电池的实际应用需要。基于此,本文先介绍了室温聚合物电解质在锂离子电池中应用的主要研究进展及其优缺点。然后,从物理调控、化学调控等多角度重点阐述了室温聚合物电解质(包括全固态聚合物电解质、准固态聚合物电解质)的制备工艺、优化与改性方法、作用机理等在电池中应用的主要研究进展和现状。最后,对锂离子电池用室温聚合物电解质存在的挑战和未来可能发展趋势进行了展望。

关键词： 聚合物电解质   锂负极   界面   枝晶   固态锂电池  

摘要： 动力电池领域对锂二次电池的能量密度和安全性提出了更高要求,研究高能量密度固态锂电池对发展新能源产业具有重要意义。相比传统的有机电解液锂离子电池,采用聚合物固体电解质的聚合物固态锂电池不但具有明显提升的安全性,而且能够匹配高容量电极材料,实现能量密度的有效提升。聚合物固态锂电池是最有前景的锂二次电池之一,然而聚合物固体电解质与锂负极间仍存在严重的界面副反应、锂负极表面易生长枝晶等问题。近年来,通过电解质成分调控、电解质力学性能提升、电解质/锂负极界面调控和匹配三维锂负极等手段,聚合物基固态锂电池性能明显提升。基于此,本文介绍了常见的聚合物固体电解质及其与锂负极间的界面挑战,从添加无机填料、使用高强度基底膜、分级层状结构设计、构筑界面缓冲层、交联网络设计以及固态锂负极保护等几个方面综述了提升聚合物基电解质/锂负极界面稳定性的最新研究成果,最后对解决聚合物固体电解质/锂负极界面兼容性的研发方向和发展趋势进行了展望。

关键词： 复合电解质   聚氧化乙烯   金属-有机框架材料   锂金属电池  

摘要： 固态聚合物电解质具有柔韧性好和易于加工的优势,可制备各种形状的固态锂电池,杜绝漏液问题。但固态聚合物电解质存在离子电导率低以及对锂金属负极不稳定等问题。本研究以纳米金属-有机框架材料UiO-66为聚合物电解质的填料,用于改善电解质的性能。UiO-66与聚氧化乙烯(poly(ethylene oxide),PEO)链上醚基的氧原子的配位作用以及与锂盐中阴离子的相互作用,可显著提高聚合物电解质的离子电导率(25℃,3.0×10^(-5)S/cm;60℃,5.8×10^(-4)S/cm),并将锂离子迁移数提高至0.36,电化学窗口拓宽至4.9V。此外,制备的PEO基固态电解质对金属锂具有良好的稳定性,对称电池在60℃、0.15mA·cm^(-2)电流密度下可稳定循环1000h,锂电池的电化学性能得到显著改善。

关键词： 聚合物固态电解质   微相分离   锂金属电池   嵌段构型  

摘要： 在对具有高能量密度和长寿命的能量存储和转换系统迫切需要情势的推动下,高安全性、绿色化、实用性二次能源产业方兴未艾。具有高安全系数、高电化学性能及高机械性能的固态聚合物电解质正逐渐取代传统液态电池。本文主要基于固态电池能源系统存在机械性能差、电化学性能不理想缺陷对单体PEGMA-CH、1-乙烯基咪唑离子液体的聚合设计了两种不同的方案路线,从而获得性能卓越的固态电解质且实现其在实用储能设备的广泛应用。具体研究工作如下:(1)将PEGMA及良好化学性质的咪唑基聚合离子液体自由基聚合(ATRP),接支引入PEO框架,成功制备了具备自修复特性及含二元嵌段结构电解质固态膜PEO@BPIL和PEO@RPIL。新型电解质具有更多的无定形结构和更高的聚合物链段迁移混合动力。除了降低PEO的结晶度外,醚键和咪唑阳离子的协同作用有利于提供连续的快速锂离子传输通道,使锂离子传输数高达0.63。优异的电化学窗口和离子电导率可以达到5.0 V(***/Li)和2.2×10 S·cm(60℃)。组装的锂金属电池在0.2 C下具有160 m Ah·g的高放电容量。超长稳定的极化循环测试图进一步阐明了聚合离子液体和咪唑电化学特性出色的协同作用和高水平的锂枝晶防御能力,使PEO@PPIL-3-SPE成为界面性能杰出的固态聚合物电解质。(2)以改性后的大分子刷状结构溴化纤维素为引发剂,对单体PEGMA-CH、离子液体1-乙烯基咪唑进行嵌段式聚合,支链上大量醚键和离子液体的引入,使电解质的性能结果量级化上升,所测的锂离子迁移数(t )最高为0.32,电化学窗口已超越5.0 V vs Li/Li(60℃)。这归因于聚合物中的刷状结构有利于形成更多的且分布均匀离子通道,减小离子迁移阻力。且单体PEGMA-CH和咪唑型离子液体(IL)上就有大量带电基团和醚键,有利于解离锂盐。上述的特性使得基于CB-PEGMA@IL-SPE所装的Li Fe PO/Li电池表现出优异的长循环能力(超过150次循环)和良好的速率容量。刷状柔性优良的CB-PEGMA@IL-SPE为制备可穿戴高新电子设备提供了可行性的渠道。

关键词： 锂离子电池   原位电化学聚合   聚甲基丙烯酸三氟乙酯   高压三元NCM811   界面工程  

摘要： 锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命、低自放电和长储存寿命而广泛应用于便携式电子产品、电动汽车、电网存储、空间探索和国防等领域。然而,其低安全性和能量密度瓶颈仍是阻碍其发展和应用的巨大挑战。作为新一代锂离子电池技术,固态电池中固态电解质的应用不仅避免了传统有机电解液的易燃易泄露的问题,而且可以有效抑制锂枝晶的生长,使得锂金属负极的应用成为可能。因此,高电压固态锂金属电池被认为是下一代兼具安全性和高能量密度的动力电池体系。但是,在高比能固态锂金属电池的开发中,高电压正极与固态电解质之间的固-固界面问题限制了电池的性能。正极-电解质界面层（Cathode Electrolyte Interphase,CEI）构筑技术,是目前正极界面工程中最具应用前景的工艺之一。传统界面缓冲层构筑技术中,以叠层法最为常见。但由于电解质材料制备过程的独立性,组装过程的二次接触会导致界面阻抗的增大,原位聚合法的出现解决了这一问题,然而,在现有以热、光、辐射作为引发条件的原位聚合技术中,引发剂的添加增加了界面组分的复杂性,将导致副反应的发生。为解决以上问题,本文提出了原位电化学聚合法构筑耐高电压缓冲层的界面修饰技术,本方法无需使用引发剂,在电池内部引发聚合反应实现缓冲层的原位构筑,为高比能固态锂金属安全电池的开发提供了设计思路。本文的主要研究内容包括:1、以基于高镍三元正极LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）/聚氧化乙烯（PEO）基电解质/Li的固态电池的正极界面为研究对象,通过原位电化学聚合构筑了耐高电压的聚甲基丙烯酸三氟乙酯基凝胶正极界面缓冲层（Gel-PTFEMA）。对电池的电化学性能进行测试与表征,并初步探讨了界面优化机理。研究发现,凝胶聚甲基丙烯酸三氟乙酯（Gel-PTFEMA）缓冲层的引入,有利于减小正极-电解质的界面阻抗,提升离子电导率。室温下经改性的Gel-PTFEMA-PEO电解质的离子电导率在室温下可达0.65×10-4 S cm-1,60℃下可达3.91×10-4 S cm-1。同时,Gel-PTFEMA具有良好抗氧化能力,使PEO基的固态电解质的电化学窗口拓宽至5.0 V,提高了电池在高电压下的循环稳定性。经界面优化的NCM811-Li电池在60℃,0.1C条件下,首圈放电容量达到212.6 m A h g-1,50次充放电循环后,容量保持率为74.0%。2、为了进一步降低电池的整体安全隐患,本文进一步通过电化学本体聚合,在不添加溶剂和电解液的条件下,在NCM811/PEO/Li电池的正极界面处原位构筑了聚甲基丙烯酸三氟乙酯（PTFEMA）全固态缓冲层。结果表明,无溶剂参与、且以电化学引发的本体聚法同样能形成连续的耐高电压离子导电网络,为锂离子提供有效传输通道。PTFEMA-PEO电解质的离子电导率在室温下为1.02×10-4 S cm-1,60℃下为4.72×10-4 S cm-1,电化学窗口被拓宽至5.1V。NCM811/PTFEMA-PEO/Li电池在高电压下优异的循环稳定性。在0.1C,60℃下首次放电容量达到179.8 m A h g-1,50次充放电循环后,容量保持率66.6%。这说明PTFEMA全固态界面层的构筑有效地改善了高电压正极和全固态PEO电解质之间的界面稳定性。本文从电化学溶液聚合和电化学本体聚合两种方法,在NCM811/PEO/Li电池体系中原位构筑了耐高电压的聚合物界面缓冲层,降低界面阻抗的同时还提高了高电压下正极材料的结构稳定性,为高比能固态锂电池中正极界面优化提供了新的设计思路。另一方面,在电池制备过程中加入液态单体,通过电化学引发原位构筑聚合物界面层,该方法工艺简单、成本低,可以与传统电池制造工艺相匹配,是一种具有商业应用潜力的界面构筑方法。

关键词： PVC基聚合物电解质   LATP无机电解质   界面   全固态锂电池  

摘要： 随着便携式电子产品与新能源汽车的广泛应用,人们对锂离子电池的研究也日益深入。其中,全固态锂电池由于其高安全性和高能量密度而备受关注。然而,由固体电解质与电极接触引起的界面问题成为阻碍固态锂电池发展的主要因素。针对界面问题,本论文从聚碳酸亚乙烯酯(PVC)聚合物电解质和Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)无机固体电解质出发,展开了深入研究。首先,通过添加磷酸三甲酯(TMP)增塑剂,改善了 PVC聚合物电解质/锂金属负极之间的界面接触,有效抑制了锂枝晶的生长。其次,在LATP无机固体电解质与正负电极间原位引入PVC+TEGDME(四甘醇二甲醚)聚合物,改善了无机固体电解质与电极之间的界面接触,大大降低了界面电阻,同时有效阻止了 LATP被Li电极还原。具体的研究内容如下:(1)在纤维素膜的支撑下,以VC为单体、TMP为增塑剂,通过原位聚合方法制备得到PVC-TMP固体电解质。实验探究了不同含量TMP对电解质的影响。随着TMP含量的增加,离子电导率逐渐增大,电化学稳定窗口和锂离子迁移数呈现先增大后减小的趋势。TMP的引入降低了PVC的聚合度,加快了 PVC链段的运动,且TMP有利于锂盐的解离。当加入10 wt%TMP时,电解质的离子电导率为2.54×10-5 S cm-1(50℃)。另外,TMP的存在增加了 PVC的柔韧性,改善了 PVC与锂负极的接触。基于PVC-TMP聚合物电解质的固态锂电池在50℃下的初始阻抗仅为118Ω。Li/PVC-TMP/Li 电池在 50℃、0.05 mA cm-2 下在 1000 h 内表现出稳定的循环。LiFePO4/PVC-TMP/Li电池在0.5 C下循环150圈后的容量保持率为79.7%。(2)以商业化的LATP粉末为原料,将其压制成LATP陶瓷片,进而烧结。首先,对LATP陶瓷片的烧结温度和时间进行了探究。结果表明,烧结温度和时间分别为850℃、2 h时,得到LATP陶瓷片晶粒适中,晶界较少,且没有杂质相。其次,在LATP电解质与电极间原位引入PVC+TEGDME聚合物电解质。与纯LATP基固态锂电池相比,被修饰后的LATP基固态锂电池在50℃下的初始阻抗从5925Ω降低至286Ω。Li/LATP-PVC+TEGDME/Li 电池在 50 ℃、0.09 mA cm-2 下在 350 h 内表现出稳定的循环,极化电压仅为0.0035 V。LiFePO4/LATP-PVC+TEGDME/Li电池在0.5 C下100圈后仍有94%的容量。此外,在50℃下,NCM811/LATP-PVC+TEGDME/Li电池在0.1 C下的平均放电比容量为181.4 mAh g-1。

关键词： 聚合物电解质   气相二氧化硅   纤维聚合物电解质   静电纺丝   交联反应  

摘要： 目前,锂电池己经在人们的日常生活中得到了广泛地应用。但所采用的可燃性有机电解液导致了锂电池在反复使用和储存过程中存在安全问题,所以不含有机溶剂的固态聚合物电解质被研究人员所提出,高安全性全固态锂电池也是未来重要发展方向。聚氧化乙烯(PEO)是目前研究最为广泛的固态聚合物电解质的基体材料,然而,PEO基聚合物电解质的在室温下低的电化学性能,导致其难以发展。本文旨于开发高电化性能的全固态锂电池。引入一种表面富含基团的无机纳米颗粒作为固态聚合物电解质的无机填料,系统研究了其含量对固态聚合物电解质的物化性能和电化学性能的影响规律,并测试分析了全固态锂电池的循环和倍率性能;开发了一种具备双重网络结构的纤维聚合物电解质,以提高聚合物电解质的拉伸强度、电化学性能和界面相容性,以及纤维聚合物电解质全固态锂电池的循环和倍率特性。本文主要研究内容分为以下两部分:(1)PEO-Li Cl O-Fumed Si O聚合物电解质的制备及性能研究将表面富含Si-OH基团的气相二氧化硅(fumed Si O,FS)纳米颗粒作为PEO基聚合物电解质的无机纳米填料,采用超声波细胞粉碎技术将不同质量的气相二氧化硅颗粒均匀分散,并利用溶液延流法成功制备了PEO-Li Cl O-Fumed Si O聚合物电解质。通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和差示扫描量热法(DSC)表征方法证明,加入少量或过量的气相二氧化硅都不能起到扰乱了PEO中聚合物分子链段的有序性的作用。当气相二氧化硅的添加量为6.85 wt.%时,PEO-Li Cl O-Fumed Si O聚合物电解质的结晶度达到了最低(25.83%)。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试证明,气相二氧化硅表面的Si-OH基团促进了锂盐的解离,且气相二氧化硅的添加量低于(包括)6.85 wt%时锂盐的解离度与气相二氧化硅的添加量呈正相关关系。拉伸测试表明,PEO-Li Cl O-Fumed Si O(6.85 wt.%)聚合物电解质的拉伸强度为1.9 MPa,断后伸长率为639%,拉伸强度比PEO-Li Cl O聚合物电解质提高了211%。PEO-Li Cl O-Fumed Si O聚合物电解质的离子电导率、锂离子转移活化和锂离子迁移数为2.95×10 S×cm、98.22 k J·mol和0.40。PEO-Li Cl O-Fumed Si O聚合物电解质优异的拉伸强度对于抑制锂金属表面锂枝晶生长起到至关重要的作用,其Li/Li对称电池的电压可以稳定至380 h,展示了优异的界面稳定性。(2)PEO-PETA-Li Cl O纤维聚合物电解质的制备及性能研究采用静电纺丝的方法成功制备了具有3-D网络结构的PEO-Li Cl O纤维聚合物电解质,并与无结构PEO-Li Cl O聚合物电解质进行性能对比。在此基础上引入PETA,使之与PEO交联形成网状分子链,制备具有双重网络结构的PEO-PETA-Li Cl O纤维聚合物电解质。与采用溶液延流法制备的无结构PEO-Li Cl O聚合物电解质相比,具备3-D网络结构的PEO-Li Cl O纤维聚合物电解质结晶度从30.03%降为28.21%,拉伸强度(3.7MPa)提高了约4.1倍。结晶度的降低使得PEO-Li Cl O纤维聚合物电解质的锂离子迁移能力得到了提高。纤维聚合物电解质Li/Li对称电池电压可以稳定至388 h,而无结构PEO-Li Cl O聚合物电解质的对称电池的电压仅能稳定到226 h,说明纤维聚合物电解质的网络结构具备可以抑制锂金属表面锂枝晶的生长。通过FTIR测试验证了PEO-PETA-Li Cl O纤维聚合物电解质中的PEO与PETA交联反应地成功。交联后,PEO线型分子链转变为网状分子链,使电解质结晶度进一步降低至25.03%,并且双重网络结构将纤维聚合物电解质的拉伸强度提高至4.0 MPa。PEO-PETA网状分子链段的运动能力提高,使得锂离子迁移能力进一步提高。电化学稳定窗口则达到5.7 V(***/Li),是由于PEO-PETA-Li Cl O纤维聚合物电解质与电极之间优异的固/固界面相容性可以防止了电解质的氧化。PEO-PETA-Li Cl O纤维聚合物电解质Li/Li对称电池的电压测试至735 h没有变化,说明了双重网络结构可以有效地抑制锂金属表面的锂枝晶生长,提高了与电极之间的界面相容性。

关键词： 安全性   固态聚合物锂电池   热失控   电池量热仪  

摘要： 锂离子电池安全性至关重要,本次研究利用BTC-130电池量热仪对扣式固态聚合物锂电池、扣式液态锂金属负极电池和18650型锂离子电池进行热失控行为研究。结果表明:18650型锂离子电池热失控起始温度为150℃且热失控放热剧烈,各副反应随热失控同步发生,自放热反应被掩盖无法在温度-时间(T-t)曲线中单独体现。而扣式电池活性物质少、自放热较少,热失控起始温度滞后,温度-时间(T-t)曲线中可以清晰地展现电池升温过程中各个自放热副反应。固态聚合物电池在150℃时无隔膜熔融导致内短路现象,180℃时无碳酸酯溶剂大量气化致电池壳破裂现象,其热失控触发机制是正极材料高温释氧,再与聚合物和熔融锂发生氧化还原反应,聚合物固态电池的安全性优于相应的液态电解质电池。

关键词： 全固态聚合物电解质   离子电导率   聚合物锂电池  

摘要： 随着储能电源和电子产品以及电动汽车的迅速发展,开发高能量密度的锂离子电池已经成为现阶段研究的重点方向之一。目前,较广泛使用的液态锂离子电池,由于容易发生有机液态电解质的泄漏、燃烧、爆炸和短路等问题,存在非常大的安全隐患。因此,迫切需要开发能量密度更高,安全性更加好的锂离子电池。与现有的有机液态电解质相比,全固态聚合物电解质(All-solid-state polymer electrolyte,ASPE)具有理论比容量更高、结构可设计性强、易于大规模生产制造、排除了泄漏液体等体系安全性能好的优点,是一类具有广泛应用前景的电解质。ASPEs在锂离子电池中起到了主导作用,研究者们对其进行了大量的科研工作。本文结合并比较了典型的ASPEs(聚醚、聚酯、聚氨酯、聚硅氧烷)的最新科研进展以及本课题组的工作,回顾了这几种固态聚合物的发展,对高性能锂电池全固态电解质的制备设计、新型锂电池、界面调控和制备工艺成型等方面作了阐述,并对其未来的研究做出展望。