多壁中空微球的制备及其凝胶电解质复合体系研究

摘要

多壁中空微球具有比表面积大、内部存储空间大等优点而在许多方面有着重要的应用，比如催化领域、能量存储领域和生物医学领域。二氧化硅双中空微球（DSHMs）由于其多种潜在应用而受到重视，在本工作中，以聚合物-二氧化硅核壳中空微球（SHHM@SiO2）为模板，通过一步牺牲模板法成功得到 DSHMs，DSHMs的形状、内部结构和组分得到了确定。DSHMs作为凝胶聚合物电解质（GPEs）的添加剂应用于锂离子电池形成凝胶复合电解质（GCEs）。GCEs在高电流密度下比GPEs显示出更好的循环性能、更高的离子电导率和更好的倍率性能。DSHMs的一些特点如较大的比表面积，多孔结构等，对于制造高性能锂离子电池是重要的。本论文通过设计并制备一系列聚合物微球并将DSHMs应用在锂离子电池中，主要研究内容如下： （1）首先用分散聚合法制备了聚苯乙烯微球（PSt），其Z均直径Dz和分散系数PDI分别是 1.04μm和0.05。，然后将其用作种子制备了单孔中空微球（SHHMs）。采用的方法是种子乳液聚合法，将种子微球、溶胀剂、乳化剂、引发剂等混合形成稳定的种子乳液，种子微球充分溶胀后，引发种子壳层的交联反应。向体系中加入亲水性的丙烯酰胺，反应结束后，去除溶胀剂后得到了SHHMs，其Z均直径Dz和分散系数PDI分别是1.65μm和0.316。通过研究SHHMs的制备机理发现，SHHMs制备成功的关键是交联壳层和溶胀内核高效快速的相分离。 （2）将种子乳液聚合法得到的SHHMs与有机溶剂乙醇混合形成稳定乳液，再通过溶胶-凝胶法得到聚合物-二氧化硅核壳中空微球（SHHM@SiO2）。将上述方法得到的产物SHHM@SiO2放入坩埚中，置于开启式真空/氛围管式电炉中煅烧，升温速度为1.0?Cmin-1，煅烧温度为600?C，煅烧时间为2 h。最后，通过一步模板法得到的白色粉末状产物二氧化硅双中空微球（DSHMs）。 （3）在P(VDF-HFP)中加入DSHMs，获得GCEs，与GPEs相比，具有较高的离子电导率为1.09×10?3 S cm-1，从而提高了电池的倍率。使得电池在低倍率（0.2 C，0.5 C）下，GPEs电池与GCEs电池几乎有相同的放电比容量,但在高倍率（1 C，2C，5 C）下，GCEs的电池拥有较高的放电比容量为129 mAh g-1。这种在高电流密度下，GCEs电池具有较高放电比容量的优点使其可以在高功率的锂电池中使用提供了一种可能。

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