基于离子导电聚合物构建锂离子通道及柔性电极

摘要

在不断追求材料卓越性能的过程中，人们探索出了诸多策略，包括改进正负极活性材料的合成方法、调整材料的结构，以及掺杂、包覆等，并且在很大程度上提高了电池的能量密度、功率密度、循环寿命等性能。然而电池的实际性能不仅仅与正负极活性物质有关，还与锂离子在充放电过程中正负极之间的离子传输速率，电池其他部分的组成以及包装材料等相关。电池的各个部分若不能良好的匹配，则将使其性能大打折扣。其中，固相电极内部及固相颗粒之间的离子传输过程是电池动力学过程中相对较慢的步骤，提高离子在固相内部及固相与固相间的传输速率是提高锂离子电池性能的重要方法之一。此外，随着人们生活的智能化，具有柔性、便携性、可穿戴性以及可编织性的电子器件逐渐成为研究的热点。其中部分器件要求具有柔性的电源与之匹配。目前市场上绝大多数的电池并不具备这种能力，所以要求我们在柔性电极、新型电解质、新型制造技术以及封装技术等方面进行新的探索。综上所述，我们以离子导电聚合物为基础，进行了电极内部锂离子传输通道的构建以及制备柔性电极的尝试，主要进行了以下研究:　　(1)离子导电聚合物构建电极材料中锂离子传输通道:在不影响浆料与集流体的粘合的前提下，电极的制备过程中引入一些离子导电聚合物，以形成锂离子的传输通道，进而提升电池的性能。首先对聚合物溶液进行相对粘度的测定，结合红外图谱分析氢键的形成，探索离子导电聚合物的引入对电极力学性能的影响，进而确定加入的离子导电聚合物的种类及用量。最后在综合前面实验结果的基础上，以三元材料为正极活性物质，以PAA和PVDF为粘合剂制备了锂离子电池的正极，并进行了电性能测试。测试结果表明具有离子导电聚合物的电极不仅拥有较好的倍率性能，而且具有良好的电化学循环性能。在大倍率充放电循环后其放电比容量能够较好的恢复。电极电化学性能提升的主要原因是利用了PAA传输锂离子的特性及其与粘合剂二者之间的相互作用，一方面能够增强粘合剂的作用，增加电极上固体粉末的接合度，另一方面促进了锂离子在电极固相中的传输，因而使得电池性能得以提升。　　(2)基于氢键构建柔性锂离子电池电极:制备柔性电池越来越受到人们的关注，开发新的制备柔性电极的方法是目前研究的热点之一。本部分首先对聚烯烃微孔膜进行表面氧化处理，接枝羟基、羧基等极性官能团，如PEO、PAA。这样就可以形成隔膜与电极材料界面处以及电极材料内部的氢键作用。能够将浆料直接涂覆在隔膜表面制成柔性电极。经过对比不同制备方法，我们发现先在隔膜表面涂覆一层石墨层，然后刷浆料，所得电极的性能最优。对柔性电极进行电化学测试结果表明所制备的柔性电极不仅具有令人满意的循环性能，而且具有良好的倍率性能，并且在大倍率充放电循环后其放电比容量能够较好的恢复。其原因可归结为:①形成氢键的高分子聚合物具有锂离子传输性能，能够提升柔性电极内部的锂离子传输速率。②提高了电解液的渗透速率。电解液能够通过柔性电极表面颗粒之间的缝隙渗透进入固体电极内部，而采用金属集流体的电池，则电解液无法从集流体一侧向固体电极内部进行有效渗透。总之，通过构建隔膜表面及电极材料内部的氢键我们开发出了一种制备柔性电池的新方法，可以实现规模性的柔性电极的制备，并且所制备的柔性电极电化学性能较好。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池概述

1．1．1 锂离子电池特点

1．1．2 锂离子电池的结构和工作原理

1．2 锂离子电池隔膜

1．2．1 锂离子电池隔膜的分类

1．2．2 锂离子电池隔膜的制备方法

1．2．3 隔膜改性方法

1．3 锂离子电池粘合剂

1．4 柔性集流体电池

1．5 本文研究的意义与主要内容

第二章 基于离子导电聚合物构建电极材料中锂离子传输通道

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验过程

2．2．3 性能表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 粘合剂的配比

2．3．2 粘度

2．3．3 不同粘合剂的红外图谱

2．3．4 粘合剂粘接情况

2．3．5 电化学性能

2．4 本章小结

第三章 基于氢键构建柔性锂离子电池电极

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验所用主要试剂

3．2．2 实验过程

3．2．3 性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 隔膜的处理与修饰

3．3．2 浆料与隔膜粘合程度

3．3．3 电化学性能测试

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的学术论文及发明专利

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