锂离子电池用新型凝胶聚合物电解质膜的制备及改性研究

论文摘要

凝胶聚合物电解质（GPE）因具有较高的室温离子电导率、良好的加工性能和安全稳定性能而得到广泛的关注。目前,高性能GPE的制备是主要的研究方向,即合成与电解液相容性好、微观结构理想、离子电导率高并且具有一定机械强度和热力学稳定性的凝胶聚合物基质材料。本论文通过添加不同的材料来制备综合性能优良的GPE。采用改进的Hummers法制备氧化石墨（GO）,氧化石墨氮气保护下,片层由于含氧基团产生的CO2、H2O等气体的逸出膨胀而迅速剥离,得到片层状的石墨烯（GN）,并采用FTIR、SEM、XRD等实验对石墨、GO、GN的结构进行表征。结果发现:氧化石墨表面具有丰富的官能团如C=O、C-OH、-COOH、C-O-C等,因而氧化石墨的层间距（d001=8.327 A）明显高于天然鳞片石墨（d002=3.361A）;石墨烯不全是单片层结构,存在几个单片层叠加的结构,并且石墨烯中保有石墨的某些结构。利用溶液共聚法、溶液共混法和挥发溶剂三步法,制备PAN-MA/PVDF、PAN-MA/GO、PAN-MA/PVDF/GN基GPE基质膜,吸收电解液之后,制备出相应的GPE膜,主要研究PVDF、GO、GN用量对于GPE膜结构与性能的影响。通过FTIR、DSC、SEM、力学性能、持液量、交流阻抗等测试对基质膜进行表征。结果表明,吸液后的电解质膜具有纳米和超微米孔洞以及较好的溶胀性能,对电解液具有较强的吸附作用,电导率跟吸液量成正比,氧化石墨和石墨烯都是片层结构,比表面积很大,从而使膜的孔隙率上升;加入适量的上述三种物质,均能得到力学性能稳定、电导率高的GPE基质膜。其中当PVDF用量在25%时,持液量最大27.0%,电导率达最大值1.580 × 10-4 S/cm。当GO用量为5%时,持液量最大39.5%,电导率达最大值2.444× 10-4S/cm。当石墨烯用量为5%时,持液量最高达50.1%,最大电导率为3.354×10-4S/cm,均符合锂离子电池的使用要求。氧化石墨、石墨烯材料有望广泛应用于锂离子电池领域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 1.1 锂离子电池的概况
• 1.1.1 锂离子电池的组成及性能
• 1.1.2 锂离子电池的工作原理
• 1.1.3 锂离子电池的应用及发展
• 1.2 聚合物锂离子电池的概况
• 1.3 聚合物锂离子电池电解质的概述
• 1.3.1 固体聚合物电解质
• 1.3.2 凝胶聚合物电解质
• 1.3.3 凝胶聚合物电解质的制备方法
• 1.3.4 聚合物电解质性能要求及表征方法
• 1.4 几种类型的凝胶聚合物体系
• 1.4.1 聚偏氟乙烯（PVDF）体系
• 1.4.1.1 接枝改性
• 1.4.1.2 共聚改性
• 1.4.1.3 共混改性
• 1.4.1.4 交联改性
• 1.4.1.5 无机填料改性
• 1.4.2 聚丙烯腈（PAN）体系
• 1.4.3 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）体系
• 1.4.4 聚氧化乙烯（PEO）体系
• 1.4.5 其它聚合物体系
• 1.4.6 凝胶聚合物电解质尚存的问题及展望
• 1.5 石墨烯概述
• 1.5.1 石墨烯的结构特点
• 1.5.2 石墨烯的制备
• 1.5.3 聚合物/石墨烯纳米复合材料的研究进展
• 1.5.3.1 聚合物/氧化石墨纳米复合材料的研究
• 1.5.3.2 石墨烯材料的官能化研究
• 1.6 本论文工作的意义及研究的内容
• 第二章 P（AN-MA）/PVDF基凝胶聚合物电解质
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验药品与仪器
• 2.2.3 P（AN-MA）/PVDF凝胶聚合物电解质膜的制备
• 2.2.3.1 P（AN-MA）/PVDF凝胶聚合物电解质基质膜的制备
• 2.2.3.2 凝胶聚合物电解质的制备
• 2.2.4 测试与表征
• 2.3 结果与表征
• 2.3.0 凝胶聚合物电解质膜的结构表征
• 2.3.1 凝胶聚合物电解质膜基质膜的力学性能分析
• 2.3.2 凝胶聚合物电解质膜基质膜的TG分析
• 2.3.3 交联剂对于共聚体系的影响
• 2.3.4 凝胶聚合物电解质的持液量分析
• 2.3.5 凝胶聚合物电解质的SEM分析
• 2.3.5.1 吸液前的PAN-MA/PVDF凝胶聚合物电解质膜
• 2.3.5.2 吸液后的凝胶聚合物电解质膜
• 2.3.6 凝胶聚合物电解质的电导率
• 2.4 小结
• 第三章 P（AN-MA）/PVDF/石墨烯基凝胶聚合物电解质
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验药品及仪器
• 3.2.3 石墨烯的制备
• 3.2.3.1 Hummers法制备氧化石墨:
• 3.2.3.2 高温热剥离法
• 3.2.4 凝胶聚合物电解质膜的制备
• 3.2.4.0 PAN-MA/GO凝胶聚合物电解质基质膜的制备
• 3.2.4.1 P（AN-MA）/PVDF/GN凝胶聚合物电解质基质膜的制备
• 3.2.4.2 凝胶聚合物电解质的制备
• 3.2.5 测试与表征
• 3.3 结果与表征
• 3.3.1 石墨、氧化石墨、石墨烯的表征
• 3.3.1.1 红外谱图分析
• 3.3.1.2 SEM分析
• 3.3.1.3 X射线衍射分析（XRD）
• 3.3.2 新型凝胶聚合物电解质膜的表征
• 3.3.2.1 PAN-MA/GO凝胶聚合物电解质的表征
• 3.3.2.2 PAN-MA/PVDF/GN凝胶聚合物电解质的表征
• 3.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表和待发表的学术论文目录