凝胶聚合物电解质现场热聚合工艺及性能研究

论文摘要

目前凝胶聚合物锂离子电池的生产虽已经具有规模,但仍存在着两个方面的主要问题:一是在电池性能方面凝胶电解质的电导率与液态电解质相比仍然偏低,快速充放电性能和低温性能较差。二是在目前凝胶电解质的制备方法中,不论溶液浇铸成膜法还是美国Bellcore法,共同的问题都是制造工序烦琐,工艺相当复杂,生产成本高。针对凝胶聚合物电解质以上两方面的问题,本论文采用现场热聚合法制备了凝胶聚合物电解质。该方法是先将一定比例的单体、交联剂、引发剂及液态电解液混合配制成前驱体溶液,再将前驱体溶液热引发聚合,最后生成凝胶聚合物电解质。因而,本论文主要工作内容为凝胶电解质体系的选择、现场热聚合物工艺条件的优化及前驱体溶液中各组分的配比优化,并通过对凝胶电解质性能的测试和表征来研发出适合现场热聚合工艺的凝胶电解质,从而实现聚合物锂离子电池制备工艺的改进。本论文通过对凝胶时间及电导率等性能的考察,确定了凝胶聚合物电解质体系为甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)和三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA),现场热聚合工艺的工艺条件为热聚合工艺III。本论文对凝胶各组分进行了改进和优化,找到了前驱体溶液最佳配比,制备了性能良好的凝胶电解质,室温电导率最高达8.16mS/cm。本论文通过扫描电子显微镜观察了聚合物基体的网状多孔结构;用电化学阻抗谱研究了凝胶电解质的电导率及温度、时间等影响电导率的各种因素;用线性扫描测得电解质的电化学窗口能达到6V以上;通过热重和差热法考察了凝胶电解质的热力学性能,结果显示凝胶电解质具有良好的热力学稳定性;通过电位阶跃法研究了锂离子迁移数随电解液含量的大致变化趋势;通过电解质与锂片之间的界面阻抗谱的测试,研究了凝胶电解质的界面稳定性;另外还通过压力破碎剂测试了不同聚合物含量电解质机械强度的变化情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 锂离子电池的发展概况
• 1.1.1 锂离子电池的性能概述
• 1.1.2 锂离子电池的主要构成
• 1.1.3 锂离子电池的工作原理
• 1.1.4 锂离子电池的生产工艺
• 1.1.5 锂离子电池的市场及发展前景
• 1.2 聚合物锂离子电池的发展概况
• 1.2.1 聚合物锂离子电池的产生背景
• 1.2.2 聚合物锂离子电池的结构与特点
• 1.2.3 聚合物锂离子电池的分类
• 1.2.4 聚合物锂离子电池的市场前景
• 1.3 凝胶聚合物电解质的研究进展
• 1.3.1 聚合物电解质的产生和分类
• 1.3.2 凝胶聚合物电解质的分类及组成
• 1.3.3 凝胶聚合物电解质的离子导电模型
• 1.3.4 凝胶聚合物电解质的制备工艺
• 1.4 现场聚合工艺的研究进展
• 1.4.1 主要的现场聚合工艺类型
• 1.4.2 各现场聚合工艺的优缺点评价
• 1.4.3 现场聚合工艺的应用前景
• 1.5 本论文的选题意义和主要研究内容
• 1.5.1 选题的意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 实验设计和方法
• 2.1 实验工艺的设计
• 2.2 聚合物体系选择及聚合机理
• 2.2.1 凝胶电解质聚合物体系的选择
• 2.2.2 凝胶聚合物电解质聚合机理
• 2.3 实验药品及仪器
• 2.3.1 主要试剂
• 2.3.2 主要仪器及设备
• 2.4 实验试剂的提纯和精制
• 2.4.1 单体的提纯
• 2.4.2 引发剂BPO 和AIBN 的提纯
• 2.5 自制实验装置的设计
• 2.5.1 聚合反应装置的设计
• 2.5.2 实验测试电池的设计
• 2.6 凝胶电解质的制备及性能表征方法
• 2.6.1 凝胶电解质的制备
• 2.6.2 聚合物电解质的性能表征方法
• 第3章 工艺条件及配比的优化
• 3.1 初试阶段的探索实验
• 3.2 热聚合凝胶工艺的选择
• 3.3 热聚合工艺I 的研究
• 3.4 热聚合工艺II 的研究
• 3.5 热聚合工艺III 的研究与优化
• 3.5.1 末段聚合温度的优化
• 3.5.2 引发剂用量的优化
• 3.5.3 引发时间的优化
• 3.6 凝胶电解质组分配比的优化
• 3.7 本章小结
• 第4章 凝胶电解质的性能表征及其影响因素
• 4.1 聚合物电解质的微观结构表征
• 4.2 凝胶电解质的离子导电率
• 4.2.1 电解液含量与电导率的关系
• 4.2.2 温度对凝胶电解质电导率的影响
• 4.2.3 凝胶电解质不同时间的电导率变化
• 4.3 凝胶电解质的锂离子迁移数
• 4.4 凝胶电解质的热力学稳定性
• 4.5 凝胶电解质的电化学稳定性
• 4.6 凝胶电解质与锂电极的界面稳定性
• 4.7 凝胶电解质的机械强度
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果
• 致谢
• 详细摘要