锂电池聚合物电解质及电极粘结剂结构与性能间关系的研究

摘要

锂离子电池由于其比容量高、循环寿命长、无记忆效果等优点而被广泛应用于各种电子设备中。传统的锂离子电池采用液体电解质，存在漏液的风险，且其中含有的易燃酯类或醚类物质造成了不可忽视的安全隐患。聚合物电解质可塑性强、无漏液隐患、不易燃烧，可以同时替代液体电解质和隔膜，减小与电极之间的界面阻抗，因此引起了广泛的研究兴趣。全固态聚合物电解质的室温电导率不足以满足生产需要。凝胶聚合物电解质则兼具有高电导率和安全不漏液的优点，但其最大的不足在于电导率的提高需以溶胀大量电解液而牺牲力学强度为代价。嵌段共聚物的微相分离结构解耦了电导率和力学性能之间的依赖关系，为解决该难题提供了一种可能途径。
　　电极的优化也是提升锂离子电池性能的重要手段之一。尽管粘结剂在电极组成中所占的比例很小，但粘结剂对电极结构的影响不可忽视，提高其粘结力、弹性和导离子性对电池性能的提高有显著效果。粘结剂对分子链序列结构的要求与凝胶型聚合物电解质有相通之处，都需要溶胀一定量的电解液以实现离子的快速传导，同时需保持一定的力学强度。
　　本文选择苯乙烯、丙烯酸甲酯两种单体，通过可逆加成断裂链转移自由基聚合调控分子链序列结构，合成了无规、嵌段、梯度三种具有不同链序列结构及相态的共聚物，将其分别应用于凝胶聚合物电解质和磷酸亚铁锂正极粘结剂，对离子电导率、电化学性能和力学性能做出评价，研究聚合物链序列结构与其性能之间的关系。
　　在凝胶型聚合物电解质的研究中，梯度共聚物具有双连续的相形态，形成三维的离子传递通道。同时，梯度共聚物的弱相分离结构降低了相界面的不连续性对锂离子传递产生的不利影响，室温电导率可达1.2×10-3S cm-1。在拉伸性能测试中，独立的聚苯乙烯相可以提供力学支撑。基于三嵌段共聚物制备的凝胶型样条在150wt％的吸液率下仍可保持41.2MPa的弹性模量。
　　以羧甲基纤维素纳为增稠剂，去离子水为分散介质制备磷酸亚铁锂正极粘结剂。与传统的聚偏二氟乙烯相比，本文采用的水系共聚物粘结剂具有更高的倍率，性能和更稳定的循环性能。与无规共聚物相比，嵌段共聚物粘结剂的电化学性能更佳，证明了导离子能力对粘结剂的重要性。同时，对嵌段共聚物而言，当设计分子量高于缠结分子量时，分子量的提高对粘结剂性能的提升没有明显作用。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．2论文研究内容

2文献综述

2．1可逆加成断裂链转移(RAFT)自由基聚合

2．2 RAFT乳液聚合

2．3锂离子电池概述

2．3．1锂离子电池的诞生及发展

2．3．2锂离子电池工作原理及组成

2．4聚合物电解质

2．4．1全固态聚合物电解质

2．4．2凝胶型聚合物电解质

2．4．3聚合物电解质的相形态

2．5锂离子电池正极粘结剂

2．5．1粘结剂的作用和要求

2．5．2油系粘结剂

2．5．3水系粘结剂

2．6课题的提出

3苯乙烯／丙烯酸甲酯的RAFT乳液聚合

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验原料及精制

3．2．2大分子RAFT试剂的合成

3．2．3 RAFT乳液聚合

3．2．4表征方法

3．3结果与讨论

3．4本章小结

4基于苯乙烯／丙烯酸甲酯共聚物的凝胶型聚合物电解质研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验原料

4．2．2凝胶型电解质(GPEs)的制备

4．2．3 GPEs的相形态测试

4．2．4电化学性能测试

4．2．5拉伸性能测试

4．2．6断面形态测试

4．3结果与讨论

4．3．1吸液率对凝胶型聚合物电解质电导率的影响

4．3．2凝胶型聚合物电解质的相形态

4．3．3 Li／GPE／LiFePO4的电化学性能

4．3．4凝胶型聚合物电解质的拉伸性能

4．4本章小结

5苯乙烯／丙烯酸甲酯共聚物用作磷酸亚铁锂正极粘结剂的研究

5．1引言

5．2实验部分

5．2．1实验原料

5．2．2 LiFePO4正极的制作

5．2．4表征方法

5．3结果与讨论

5．3．1粘结剂的理化性质

5．3．2采用不同粘结剂的电化学性能

5．3．3采用不同粘结剂的界面阻抗

5．4本章小结

6结论

参考文献

硕士期间发表的学术成果