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 O4-Fumed Si O2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 O2,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 O4-Fumed Si O2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 O4-Fumed Si O2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 O4-Fumed Si O2(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 O4聚合物电解质提高了211%。PEO-Li Cl O4-Fumed Si O2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2.95×10-4 S×cm-1、98.22 k J·mol-1和0.40。PEO-Li Cl O4-Fumed Si O2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 O4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 O4纤维聚合物电解质,并与无结构PEO-Li Cl O4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 O4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 O4聚合物电解质相比,具备3-D网络结构的PEO-Li Cl O4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 O4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 O4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 O4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 O4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 O4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。