离子液体聚合物电解质的制备及其性能研究

论文摘要

离子液体具有电导率高、电化学窗口宽、热稳定性好、无显著蒸汽压、无可燃性等特性。因此将离子液体作为聚合物电解质的增塑剂,可使电池在维持较高电导率的同时消除当电池在大电流密度、短路或者较高温度环境下使用时,由于有机溶剂挥发所引起的电池壳体鼓胀、爆裂等安全隐患,显示出离子液体聚合物电解质作为锂二次电池电解质的应用前景。本论文分别在PVdF-HFP-LiPF6和PEO-LiTFSI体系中加入BMIMPF6制备了两类离子液体/聚合物电解质。两类聚合物体系中离子液体的加入都使得聚合物电解质电导率得到显著提高,其中含有相同量的锂盐和离子液体时,PEO-LiTFSI-BMIMPF6表现出更高的离子电导率。应用发射FTIR光谱研究离子液体/聚合物电解质的导电机理,结合透射FT-IR光谱、XRD、DSC、SEM等方法探索离子电导增强的主要因素。发现在所制备的聚合物电解质中,离子液体一方面起到增塑作用,改变聚合物的晶相组成,增加无定形相含量;另一方面离子液体通过与聚合物分子链间的相互作用,从而增加自由载流子数目;此外,增塑剂离子液体在聚合物的局部区域形成富集区,即可提供离子迁移通道,加快了离子的迁移。应用电化学阻抗谱和电化学循环伏安扫描考察了SBA-15的加入对PEO-LiTFSI-BMIMPF6/金属锂电极界面性质以及与正负极相容性的影响,比较了添加和未添加SBA-15的离子液体聚合物电解质的充放电性能。从实验结果得到加入SBA-15后,使得聚合物与锂负极间的界面稳定性增加,与正负极具有更好的相容性,以及电池在充放电过程中表现出更平稳的电压平台,且充放电容量也得到提高。本论文的创新之处在于选择了最为常见、易合成的BMIMPF6作为增塑剂,制备了离子液体聚合物电解质,对其性能进行了系统性得研究,使用FTIR透射光谱技术和FTIR发射光谱从分子水平上研究了这种离子液体对聚合物电解质体系结构的影响,为解释聚合物电解质电导率增强机制提供分子水平的的信息,为研究这类体系的研究提供基础的数据和方法。本研究工作将SBA-15加入到聚合物体系中、,不仅使得电池的充放电性能得到提高,而且首次将此种离子液体掺杂聚合物电解质用于充放电实验。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 锂离子电池的发展历程
• 1.2 聚合物锂二次电池简介
• 1.3 聚合物电解质概述
• 1.3.1 聚合物电解质发展
• 1.3.2 聚合物电解质分类
• 1.4 离子液体概述
• 1.4.1 离子液体的种类
• 1.4.2 离子液体的特性
• 1.5 离子液体聚合物电解质
• 1.5.1 离子液体聚合物电解质的分类
• 1.5.2 离子液体聚合物电解质的应用现状
• 1.6 聚合物电解质的离子导电模型
• 1.7 本论文的主要研究内容和设想
• 参考文献
• 第二章 实验仪器和方法
• 2.1 主要的化学试剂及处理方法
• 2.2 离子液体聚合物电解质和电极的制备以及电池组装、测试
• 2.2.1 PVdF-HFP基聚合物电解质的制备
• 2.2.2 PEO基聚合物电解质的制备
• 4电极的制备'>2.2.3 LiFePO₄电极的制备
• 2.2.4 扣式电池的组装及充放电实验
• 2.3 聚合物电解质的表征方法及技术
• 2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.2 X-射线粉末晶体衍射技术（XRD）
• 2.3.3 热重法（TG）
• 2.3.4 差示扫描量热法（DSC）
• 2.3.5 聚合物电解质的电化学性质测定
• 2.3.6 傅立叶变换红外光谱（FTIR）
• 参考文献
• 第三章 PVdF-HFP基离子液体聚合物电解质制备表征
• 3.1 引言
• 3.2 离子液体聚合物电解质的制备
• 3.3 离子液体聚合物电解质的表征
• 3.3.1 离子液体聚合物电解质形貌的SEM表征
• 3.3.2 离子液体聚合物电解质的热重分析
• 3.3.3 离子液体聚合物电解质的DSC研究
• 3.3.4 聚合物电解质的XRD分析
• 3.3.5 离子电导率的测定
• 3.3.6 FTIR研究
• 3.3.7 电化学稳定窗口的测试
• 3.3.8 CV研究
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 PEO基离子液体聚合物电解质制备及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 PEO基离子液体聚合物电解质的表征
• 4.2.1 离子电导率测试
• 4.2.2 锂离子迁移数的测定
• 4.2.3 聚合物电解质的表面形貌
• 4.2.4 透射红外光谱研究
• 4.2.5 发射红外光谱研究
• 4.2.6 XRD表征
• 4.2.7 DSC表征
• 4.2.8 电化学循环伏安研究
• 4.2.9 电化学稳定窗口的测试
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 SBA-15复合离子液体聚合物电解质制备及其性能
• 5.1 引言
• 5.2 离子电导率的测试
• 5.3 Li/IGPE/Li电池界面阻抗随存储时间的变化
• 5.4 Li/IGPE/Li的循环伏安表征
• 5.5 PEO基聚合物电解质与正极相容性研究
• 5.6 充放电性能研究
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 主要结论
• 作者攻读硕士学位期间发表与交流的论文
• 致谢