离子液体/纳米复合聚合物电解质的制备及其电化学研究

论文摘要

聚合物锂离子电池具有安全性能好、能量密度高、易于成型等优点受到广泛关注。离子液体作为一种绿色化学溶剂,是目前化学领域的研究热点。由于离子液体具有较高的离子电导率、较宽的电化学窗口、不燃烧、不挥发、热稳定性能好等特点,增塑聚合物电解质后,可以改善锂电池的安全性,避免了使用传统的碳酸酯类增塑剂所带来的安全隐患。本论文中,我们使用室温离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（EMIBF4）为增塑剂,与SiO2—聚偏氟乙烯-六氟丙烯[P（VDF-HFP）]—LiBF4体系复合,制备了新型的高温安全纳米复合聚合物电解质。主要研究内容包括以下两个方面：1、我们用溶液铸膜法制备了P（VDF-HFP）—LiBF4—Si02—EMIBF4纳米复合聚合物电解质（nanocomposite polymer electrolyte,NCPE）,用傅里叶红外光谱（FTIR）.电子扫描电镜（SEM）、热失重（TG）、示差扫描量热（DSC）等手段对其进行表征,用电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectra,EIS）、循环伏安（CV）和线性扫描伏安（LSV）等技术对其进行电化学性能测试。FTIR结果表明,纳米SiO2与聚合物链的相互作用,改变了聚合物的晶相。TG结果显示,此类聚合物电解质的热分解温度达到290℃,纳米粒子含量对NCPE的热稳定性基本没有影响。DSC结果表明,NCPE的结晶度随SiO2纳米粒子的加入而降低,无定形区增加,其离子电导率得到提高。CV和LSV结果显示,NCPE的阴极和阳极稳定电位范围分别为-1.0～-0.5 V和4.05～5.66 V（vs.Li/Li+）。当SiO2质量分数为2%时,聚合物电解质的离子电导率最大,为0.47×10-3S/cm。以LiFePO4为正极材料,金属锂为负极材料,所得NCPE为隔膜组装的聚合物锂二次电池,在室温下以0.1、0.2、0.5和1.0C放电时,电池的首次放电容量分别为133、101、73和58 mAh/g,并且有较好的循环稳定性和倍率性能。2、我们用高压静电纺丝法制备了Si02—P（VDF-HFP）纳米复合聚合物膜,以EMIBF4为增塑剂,得到纳米复合聚合物电解质（NCPE）.研究结果显示,在增塑剂体系中加入DEC和γ-BL虽然降低了聚合物电解质的热稳定性,但能提高其离子电导率和界面稳定性。CV和LSV结果显示,此类聚合物电解质的阴极稳定电位达-1.0V（vs.Li/Li+）,阳极稳定电位范围为4.9～5.0V（vs.Li/Li+）.含5%SiO2的聚合物膜浸渍1 mol/L LiBF4/EMIBF4—DEC—γ—BL（2:1:1,v/v/v）电解质溶液后,所得聚合物电解质的室温离子电导率为3.48×10-3S/cm。以LiFePO4为正极材料,金属锂为负极,此NCPE为隔膜组装的聚合物锂二次电池,在室温下以0.1C、0.2C和0.5C放电时,电池的首次比容量分别为157、138和99mAh/g,经过50次循环后,容量保持率分别为97%、85%和84%,显示出较好的循环稳定性和倍率性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 聚合物电解质的概述
• 1.2 聚合物电解质的分类
• 1.2.1 全固态聚合物电解质
• 1.2.2 凝胶聚合物电解质
• 1.3 离子液体的概述
• 1.3.1 离子液体的定义及其发展历史
• 1.3.2 离子液体的特点及其种类
• 1.4 离子液体聚合物电解质
• 1.4.1 离子液体聚合物电解质的分类
• 1.4.2 离子液体聚合物电解质在光电池中的应用
• 1.4.3 离子液体聚合物电解质在双电层电容器中的应用
• 1.4.4 离子液体聚合物电解质在锂离子二次电池中的应用
• 1.5 本论文研究的内容和意义
• 第二章 试验方法
• 2.1 实验药品及试剂
• 2.2 实验仪器设备
• 2.3 聚合物电解质的性能测试方法
• 1H NMR'>2.3.1 核磁共振光谱仪¹H NMR
• 2.3.2 傅立叶变换红外光谱
• 2.3.3 差热扫描分析法
• 2.3.4 热重分析法
• 2.3.5 扫描电子显微镜
• 2.3.6 循环伏安分析法
• 2.3.7 交流阻抗法
• 2.3.8 电化学稳定窗口的测定
• 2.3.9 恒电流充放电测试
• 2.4 离子液体的制备
• 4的合成'>2.4.1 离子液体EMIBF₄的合成
• 2.4.2 离子液体红外表征
• 2.4.3 离子液体核磁表征
• 第三章 溶液铸膜法制备离子液体/纳米复合聚合物电解质
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 离子液体/纳米复合聚合物电解质膜的制备
• 3.2.2 离子液体/纳米复合聚合物电解质的表征
• 3.2.3 离子液体/纳米复合聚合物电解质的电化学测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 离子液体/纳米复合聚合物电解质的红外表征
• 3.3.2 离子液体/纳米复合聚合物电解质的TG分析
• 3.3.3 离子液体/纳米复合聚合物电解质的DSC分析
• 3.3.4 离子液体/纳米复合聚合物电解质的形貌分析
• 3.3.5 离子液体/纳米复合聚合物电解质的电导率分析
• 3.3.6 离子液体/纳米复合聚合物电解质的电化学稳定窗口
• 3.3.7 离子液体/纳米复合聚合物电解质的界面阻抗与时间的关系
• 3.3.8 离子液体/纳米复合聚合物电解质的充放电性能测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 高压静电纺丝法制备离子液体/纳米复合聚合物电解质
• 4.1 前言
• 4.2 试验部分
• 2—P（VDF-HFP）聚合物膜的制备'>4.2.1 纳米SiO₂—P（VDF-HFP）聚合物膜的制备
• 4.2.2 液态电解质的的配制
• 4.2.3 聚合物膜的孔隙率及吸液率的测定
• 4.2.4 离子液体/纳米复合聚合物电解质热分析及其电化学性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纳米P（VDF-HFP）聚合物膜的微观形貌
• 4.3.2 聚合物膜的孔隙率及吸液率的测定
• 4.3.3 纳米粒子及增塑剂对聚合物结晶度的影响
• 4.3.4 增塑剂对纳米复合聚合物电解质热稳定性的影响
• 4.3.5 纳米复合聚合物电解质的电化学性能
• 4.3.5.1 离子电导率
• 4.3.5.2 DEC和γ-BL对聚合物电解质|电极界面的影响
• 4.3.5.3 离子液体/纳米复合聚合物电解质电化学窗口
• 4.3.5.4 离子液体/纳米复合聚合物电解质充放电测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 附录