改性的二氧化硅填料填充PEO-PEI基全固态电解质的制备和研究

摘要

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环性能好等突出优势，是当下很好的一种新能源形式。电解质作为其组成的关键部分，很大程度上决定了电池的性能。其中聚合物固态电解质由于其安全性高、柔韧性好以及良好的机械强度，具有非常好的应用前景，但其室温离子电导率低对其能够真正应用提出了很大的挑战。添加纳米填料以及共混改性都是提高固态电解质离子电导率的有效手段，但直接添加纳米颗粒的方法颗粒间易团聚、聚合物与陶瓷填料相容性差、聚合物结晶度高等问题使电导率提高有限。在纳米颗粒表面接枝聚合物能够通过其空间位阻效应提高纳米粒子的分散性，同时能够提高链段的运动性。本文从提高离子电导率出发，将添加改性纳米填料和聚合物共混的方法相结合，制备得到了SiO2/PDA/PEI+PEO+PEI+LiClO4体系以及SiO2/PGMA+PEO+PEI+LiClO4体系的全固态电解质。
　　本文首先采用不同形态和粒径的SiO2，利用多巴胺自聚的原理，在SiO2表面包覆上了多巴胺，再利用聚多巴胺层上的酚羟基进行二次改性，接枝上了聚合物PEI。将改性后的颗粒加入到PEO/PEI基共混体系中，制得电解质膜。通过表征测试可以得出，多巴胺、PEI在SiO2表面均匀包覆和接枝，改性后的纳米填料在聚合物基体中分散良好，制得的固态电解质膜具有较低的结晶度和良好的高温热稳定性。将该固态电解质组装成电池测试电化学性能表明，与纯PEO等对比体系相比，本实验所制备的电解质室温离子电导率大幅度提高，其中50nm介孔SiO2体系的电导率最高，为1.76×10-4S·cm-1。各体系的80℃离子电导率均达到10-3数量级。此外各体系均具有较高的锂离子迁移数和合适的电化学窗口，电化学稳定性良好。
　　此外，本文利用原子转移自由基聚合(ATRP)的原理，在SiO2表面接枝上了聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA），并将其加入到PEO/PEI基共混体系中，制得电解质膜。通过表征手段可以得知PGMA包覆均匀，纳米填料分散良好，电解质膜结晶度低、高温热稳定性良好。通过电化学测试，该电解质具有较高的室温离子电导率(8.89×10-5S·cm-1)，以及较高的锂离子迁移数(0.66)和合适的电化学窗口，电化学稳定性良好。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 聚合物电解质

1．1．1 锂离子电池概述

1．1．2 锂离子电池的组成及工作原理

1．1．3 锂离子电池电解质概述

1．1．4 聚合物固体电解质的导电机理

1．2 聚合物固体电解质的改性

1．2．1 共混或共聚

1．2．2 加入增塑剂

1．2．3 加入离子液体

1．2．4 添加纳米粒子

1．3 多巴胺及聚乙烯亚胺

1．3．1 多巴胺的结构与性质

1．3．2 聚乙烯亚胺的结构与性质

1．4 原子转移自由基聚合(ATRP)

1．4．1 ATRP的机理

1．4．2 ATRP的反应体系

1．5 本课题的创新点、意义及内容

1．5．1 课题的创新点及意义

1．5．2 课题的主要研究内容

第二章 多巴胺包覆的二氧化硅填充PEO-PEI基固态电解质的制备和研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．2．3 多巴胺包覆的二氧化硅填充PEO-PEI基固态电解质的制备

2．2．4 纽扣式实验电池的组装

2．2．5 表征与测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 确定PEO与PEI的最佳摩尔比

2．3．2 确定纳米填料在体系中的含量

2．3．3 红外谱图分析

2．3．4 微观形貌分析

2．3．5 结晶度分析

2．3．6 热稳定性分析

2．3．7 电化学性能分析

2．4 本章小结

第三章 ATRP法改性的二氧化硅填充PEO-PEI基固态电解质的制备和研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验设备

3．2．3 ATRP法改性的二氧化硅填充PEO-PEI基固态电解质的制备

3．2．4 纽扣式实验电池的组装

3．2．5 表征与测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 红外谱图分析

3．3．2 微观形貌分析

3．3．3 结晶度分析

3．3．4 热稳定性分析

3．3．5 电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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