共混型聚合物固态电解质的性能研究及其在锂离子电池中的应用

摘要

有关锂离子电池燃烧甚至起火爆炸的安全事故现象在这些年时有发生，锂离子电池的安全问题成为研究者的关注重心。聚合物电解质是解决锂离子电池安全性能的关键材料，而聚合物锂盐作为一类新型电解质材料，可以有效解决锂电池电解质电导率低和机械性能较差的问题。本论文主要围绕一种新型聚合物电解质膜展开研究，电解质薄膜通过溶液浇铸制备。通过分析共混型聚合物电解质的电化学性能，热力学性能和机械性能，研究和分析共混型聚合物电解质膜的性能与结构组成的联系，以改善锂离子电池聚合物电解质的离子电导率，电化学稳定性，机械性能和安全性能。
　　在论文的第一部分，作者对锂离子电池聚合物电解质的发展历史做了归纳和总结，对锂离子电池的组成结构、应用分类和工作原理进行了简单说明。针对目前国内外的研究现状，着重对均聚、共聚和离子液体型这三类新型聚合物电解质锂盐开展了分析和总结。同时以结构和性能为出发点，综述了现阶段国内外聚合物电解质和聚合物锂盐应用现状和进展。并且对未来的研究方向和重点进行了展望。
　　第二章介绍实验的药品和使用的仪器，介绍了聚合物电解质膜的制备工艺和电池组装的基本步骤。同时将表征测试的一系列内容如扫描电镜，红外光谱，交流阻抗等和聚合物膜在电化学，机械性能和高温稳定性能测试做出了详细的说明。
　　第三章主要将锂盐LiClO4/LiTFSI与PEO和PMMA聚合物基体复合，使用溶液浇铸法制备了不同的全固态聚合物电解质（solid polymer electrolyte,SPE）薄膜。PMMA和PEO共混的聚合物基体可以同时解决 PEO室温电导率低和PMMA机械强度低的问题。测得室温下PEO-PMMA-LiTFSI（EO/Li-+=10）体系的离子电导率为6.67×10-7S/cm，PEO-PMMA-LiTFSI-Al2O3（EO/Li-+=10）体系的离子电导率为9.37×10-7S/cm。热稳定性分析可知，PEO-PMMA-LiClO4膜，PEO-PMMA-LiClO4-Al2O3，PEO-PMMA-LiTFSI膜和PEO-PMMA-LiTFSI-Al2O3四种固态膜的分解温度都在在300℃以上。机械性能分析可知PEO-PMMA-LiTFSI的拉伸强度为1.02MPa，加入纳米粒子Al2O3后PEO-PMMA-LiTFSI体系的拉伸强度得到改善，拉伸强度变大到1.76MPa。PEO-PMMA-LiTFSI体系聚合物膜的收缩率为8.7％，而添加Al2O3制备的PEO-PMMA-LiTFSI体系聚合物膜的收缩率为6.6%。
　　在论文的第四章中，介绍了电池组装的基本步骤和关键制备工艺。改进溶液浇铸法制膜工艺制备了聚合物电解质膜，有效解决溶液浇铸法中溶剂挥发速率过快的问题，使制备的聚合物膜更平整均匀。同时对影响聚合物膜离子电导率的因素，如无机纳米粒子的添加、溶剂的选择和温度进行了探讨。最后将聚合物膜组装成电池，我们对电化学稳定窗口，首次充放电性能和循环性能进行了测试，并对电池的整体性能进行了探索。研究发现Li/PEO-PMMA-LiTFSI/LiCoO2半电池在0.1C放电倍率下，首次充放电的比容量为100mAh/g，库伦效率达91.8%，是LiCoO2实际克容量（140mAh/g）的71.4%。
　　综上所述，这类共混型聚合物固体电解质显示出良好的综合性能。文章利用优化的溶液浇铸法制备的共混型聚合物电解质膜有效优化了离子电导率和机械性能的相容性问题，而且其在热稳定和热收缩性方面都具有优异的性能。

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第一章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 固态聚合物电解质中新型锂盐的研究现状

1.3 固态聚合物电解质研究的目的与意义

1.4 论文创新点及主要研究内容

第二章 实验和测试

2.1 前言

2.2 实验试剂

2.3 实验设备

2.3 共混型聚合物电解质膜的制备和扣式电池组装

2.4 聚合物电解质膜的测试和表征

第三章 PEO-PMMA共混型固态聚合物电解质膜的制备和性能研究

3.1 前言

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 优化制膜工艺下聚合物膜和锂离子电池的制备及性能研究

4.1 前言

4.3 锂离子电池的性能测试结果分析

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录（攻读学位期间发表论文目录）