PEO基固体电解质的改性研究

摘要

锂离子电池因具有高能量密度、优异的循环稳定性和重量轻的优点，而成为最有前景的能量存储设备之一。锂离子电池被广泛应用于各种便携电子设备以及电动汽车领域。目前，商业化锂离子电池普遍采用液态电解质，但是其安全问题是一大隐患，被世人所熟知。聚合物固体电解质具有在安全性、柔性、以及能量密度等方面有明显的优势，有望缓解电池的安全问题并提高电池的比能量，是最有潜力的电解质材料。但是聚合物电解质低的电导率和机械性能差，极大地限制了其在电池中的应用。添加合适的无机填料和有机增塑剂是提高聚合物电解质的电导率和机械性能的主要途径。本文针对聚合物电解质材料存在的问题，制备了以聚氧乙烯(PEO)为基体添加适量有机增塑剂、无机粒子以及高氯酸锂材料的改性电解质，并研究了其电化学性能，主要内容如下: (1)本论文将常见的有机增塑剂磷酸三丁酯(TBP)与PEO基聚合物电解质相复合。通过调节TBP含量，以及锂盐浓度，制备出具有良好性能的聚合物电解质复合膜:高机械强度(9.6MPa)、室温电导率达到5×10-5S·cm-1，以及电化学稳定窗口超过5V，并且该电解质的锂离子迁移数达到0.62，比未添加TBP的电解质的离子迁移数(0.19)高出三倍多。在此基础上，探究了TBP对聚合物中锂盐解离的影响;组装了Li/聚合物复合电解质/Li固态电池，发现电解质对锂电极的稳定性能和循环性能也是优异的。 (2)添加无机粒子改性电解质的离子导电率和机械性能。我们比较了不同稀土氧化物对其电导率的影响，筛选出稀土金属氧化物Yb2O3进行改性。利用浇铸法制备出半透明的复合聚合物电解质Yb2O3-PEO-LiC1O4-TBP(YTCPE)。当Yb2O3的质量分数为1％时，YTCPE的离子电导率达到极大值，30℃时为2.8×10-4S·cm-1。而过量的Yb2O3不仅会形成团聚而阻碍Li+的迁移，也将形成部分Yb2O3颗粒为核心的晶核成长，从而制约部分Li+的迁移，使电导率下降。Yb2O3颗粒均匀地分散在PEO基体中，在受到外力时，Yb2O3可很好地分散和传速应力，避免分子链断裂，对PEO基电解质的韧性起到了增强作用。当Yb2O3质量分数为1％时，其弹性模量达15.17MPa，与未添加Yb2O3的电解质相比提高了约57％。

目录

摘要

第1章 前言

1．1引言

1．2锂电池的发展

1．2．1锂电池的结构

1．2．2锂电池的工作原理

1．3锂离子电池电解质的概述

1．3．1液态电解质

1．3．2全固态无机电解质(ASSEs)

1．4 PEO基聚合物电解质的概述

1．4．1 离子在PEO中的传输机理

1．4．2聚合物电解质材料面对的问题

1．4．3聚合物电解质电导率的影响因素及优化方案

1．4．4 PEO基聚合物电解质的研究进展

1．5选题依据和主要内容

第2章 实验材料与研究方法

2．1实验试剂

2．2实验仪器设备

2．3材料的物理性能表征

2．3．1晶体和分子结构的表征

2．3．2微观形貌表征

2．3．3机械性能测试

2．3．4热稳定性表征

2．4材料的电化学性能表征方法

2．4．1离子电导率的测试

2．4．2锂离子迁移数的测试

2．4．3 电化学稳定窗口

2．4．4对锂稳定性

第3章 PEO-TBP-LiClO4聚合物电解质的制备及性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1聚合物电解质的制备流程

3．2．2锂盐含量的选择

3．3结果与讨论

3．3．1 PEO-TBP-LiClO4聚合物电解质的结构与形貌分析

3．3．2 PEO-TBP-LiClO4电解质的电性能测试

3．3．3 PEO-TBP-LiClO4聚合物电解质的机械性能测定

3．3．4 PEO-TBP-LiClO4聚合物电解质的热稳定性能测定

3．4本章小结

第4章 Yb2O3／PEO／TBP／LiClO4聚合物电解质的性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1添加氧化物改性聚合物电解质的制备

4．2．2无机氧化物的选择

4．3结果与讨论

4．3．1 Yb2O3／PEO／TBP／LiClO4聚合物电解质的结构与形貌分析

4．3．2 Yb2O3／PEO／TBP／LiClO4聚合物电解质的电性能测试

4．3．3 Yb2O3／PEO／TBP／LiClO4聚合物电解质的机械性能测定

4．4本章小结

5．1全文总结

5．2展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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