PVDF-HFP基聚合物微孔膜的制备及在锂离子电池中的应用

摘要

微孔型聚合物电解质具有较高的室温电导率、较好的热力学稳定性和机械性能，同时可降低组装电池过程中对环境干燥程度的要求，是最有希望应用于锂离子电池的一类聚合物电解质。尤其是以偏氟乙烯．六氟丙烯的共聚物PVDF-HFP(亦称2801)为基质材料制成的聚合物电解质，兼具六氟丙烯高吸液力和偏氟乙烯高支撑性的特点，在聚合物锂离子电池领域具有广阔的发展前景。 本论文以PVDF-HFP(2801)为研究基质，在对相转移法及自然挥发法工艺的优化基础上，通过添加PVP和SiO<,2>分别制备出2801/PVP、2801/SiO<,2>两种复合聚合物微孔膜，对膜的相关性能进行了检测和分析；同时将所制备的两种电解质膜组装成锂离子电池，对其电化学性能进行了表征。 首先，对相转移法制备聚合物电解质膜的相关工艺进行优化，确定DMF为溶剂、去离子水为非溶剂、初成膜时间2h、凝固浴温度室温(23℃左右)，制备的聚合物膜性能最佳。 在此基础上，通过添加PVP制备2801/PVP复合聚合物电解质，发现当2801：PVP为1：0.4(质量比)时，该膜微观形貌好、溶胀能力强，电导率高达5.85×10<'-3>S·cm<'1>，锂离子迁移数为0.74，电化学稳定窗口达到5.5V，满足锂离子电池使用要求。2801/PVP锂离子电池在0.1C放电时首次放电容量可达136mAhg<'-1>，经10次循环后，放电容量升高到139mAhg<'-1>左右，随后保持平稳，充放电效率为98.9﹪；放电平台约为3.88V；0.5C、1C放电容量分别为0.1C时的97﹪、94﹪。该聚合物锂离子电池的界面阻抗随着放电电压的降低变化不大，而电化学阻抗逐渐增加；不同静置时间下界面阻抗先减小后增大。 另一方面，将自然挥发法制备的2801/PVP聚合物电解质也组装成锂离子电池，发现其在0.1C放电时首次放电容量可达142.37mAhg一，经30次循环后，放电容量为136.68 mAhg<'-1>，充放电效率保持在96﹪左右；放电平台为3.86V；0.5C、1C放电容量分别为0.1C时的95.4﹪、92.2﹪。 其次，通过自然挥发法制备2801/SiO<,2>复合膜，发现当2801：SiO<,2>为1：0.1时，该膜微观形貌较好，电导率为4.24×10<'-3>S·cm<'-1>，电化学稳定窗口可达5.5V，锂离子迁移数达0.65。2801/SiO<,2>锂离子电池首次放电容量可达138mAhg<'-1>，首次充放电效率为88﹪，经过3次循环后可逐步提高并保持在95﹪左右；放电容量随循环次数的增加而降低，到第30次循环时降至119mAhg<'-1>；首次放电平台较高(约3.8 V)，随后逐渐降低。最后，将自制优异2801/PVP聚合物锂离子电池与液态锂离子电池性能进行对比。发现聚合物锂离子电池性能接近于液态锂离子电池，容量保持较好，放电平台较高。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

第二章实验原料、设备及表征方法

2.1实验原料

2.2实验设备

2.3材料表征方法

2.3.1热重差热(TG-DTA)分析

2.3.2 X射线衍射(XRD)分析

2.3.3扫描电子显微镜(SEM)分析

2.3.4数码照相

2.3.5红外光谱分析(FT-IR)

2.3.6吸液率测试

2.3.7机械强度测试

2.3.8电导率测试

2.3.9电化学稳定窗口测试

2.4电化学性能测试

2.4.1扣式电池的制备

2.4.2充放电性能测试

2.4.3循环伏安测试

2.4.4交流阻抗测试

2.4.5锂离子迁移数测定

第三章PVDF-HFP基聚合物电解质的制备

3.1实验

3.1.1前期准备

3.1.2聚合物电解质的制备

3.1.3聚合物电解质的性能测试

3.2实验结果与讨论

3.2.1不同溶剂对聚合物膜的影响

3.2.2不同非溶剂对聚合物膜的影响

3.2.3不同凝固浴温度对聚合物膜的影响

3.2.4不同初成膜时间对聚合物膜的影响

3.2.5相转移法制膜机理浅析

3.2.6 2801/PVP复合聚合物膜的研究

3.2.7 2801/SiO2复合聚合物膜的研究

3.3本章小结

第四章聚合物锂离子电池的性能研究

4.1实验

4.1.1聚合物锂离子电池的装配

4.1.2聚合物锂离子电池的性能测试

4.2结果与讨论

4.2.1 2801/PVP复合聚合物电解质的电化学性能

4.2.2 2801/PVP聚合物锂离子电池性能

4.2.3 2801/SiO2型聚合物电解质电化学性能

4.2.4 2801/SiO2型聚合物锂离子电池性能

4.3本章小结

第五章结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文及奖励