P（AN-MMA）基聚合物电解质的制备及其性能研究

论文摘要

聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池的基础上发展起来的第二代可充电锂离子电池。它不仅具有高比能量、长循环寿命和无污染等优点,而且比常规液态锂离子电池具有更好的安全性和外形设计的灵活性,广泛应用于移动通讯领域里,因此,聚合物电解质膜的研究受到众多研究者的关注。本文选用价格低廉的聚（丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯）（P（AN-MMA））共聚物做聚合物电解质的基体,复合无机纳米粒子TiO2制备了复合聚合物电解质。主要研究内容包括以下几个方面:首先,以丙烯腈（AN）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体混合体系为溶剂,钛酸丁酯为前驱物,水解生成TiO2颗粒;然后进行原位乳化聚合,制备复合聚合物P（AN-MMA）/TiO2,并制备出复合聚合物电解质,进行了红外光谱表征和电化学性能测试。研究表明,聚合反应通过打开AN和MMA单体各自的C=C双键实现;当聚合物电解质中TiO2质量分数为10.8%时,该聚合物电解质的室温离子电导率可达0.96×10-3S/cm。其次,以共聚物P（AN-MMA）/TiO2为基体,溶剂蒸发法制备了微孔复合聚合物电解质,并进行了扫描电镜、红外光谱、示差量热扫描表征和电化学性能测试。结果显示,TiO2微粒含量对复合聚合物膜的玻璃化转变温度Tg有影响,且改善了聚合物电解质的机械性能,其室温离子电导率均达10-3 S/cm数量级,离子导电行为符合Arrhenius方程。当聚合物电解质中含有10.8 %的TiO2颗粒时,其室温离子电导率可达1.12×10-3 S·cm-1,Li+迁移数为0.59,电化学稳定电位达5.0V（vs. Li/Li+）。接着,将电化学性能较好的微孔复合聚合物电解质P（AN-MMA）/TiO2（TiO2的含量为10.8%）应用于双电层电容器和锂离子电池中。结果显示,双电层电容器展示了良好的电化学性能:比容量较大,充放电循环性能良好;聚合物锂二次电池具有较好的首次放电容量,充放电循环性能良好。最后,以共聚物P（AN-MMA）和P（VDF-HFP）以不同质量比直接混合,采用相转化法制备了共混聚合物电解质,通过SEM和FTIR对聚合物膜进行表征,并通过电化学方法测试了聚合物电解质的室温离子电导率和Li+迁移数等性质。结果表明,当P（AN-MMA）和P（VDF-HFP）的质量比为1:1时,聚合物膜的孔隙率最高,聚合物电解质的离子电导率最大为0.97×10-3 S·cm-1,Li+迁移数为0.55。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 聚合物电解质的概述
• 1.1.1 聚合物电解质的概念
• 1.1.2 聚合物电解质的特点与要求
• 1.2 聚合物电解质的分类
• 1.2.1 固态聚合物电解质（solid-state polymer electrolyte, SPE）
• 1.2.2 凝胶型聚合物电解质（gel polymer electrolyte, GPE）
• 1.2.3 多孔聚合物电解质
• 1.3 聚合物电解质的几种改性方法
• 1.4 聚合物电解质在电化学方面的应用
• 1.4.1 聚合物电解质在锂二次电池中的应用
• 1.4.2 在双电层电容器中的应用
• 1.5 本论文的目的和意义及主要创新点
• 1.5.1 目的和意义
• 1.5.2 主要工作及创新点
• 第2章 实验方法
• 2.1 核磁共振分析
• 2.2 傅立叶红外光谱分析（FTIR）
• 2.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4 差热扫描（DSC）分析
• 2.5 聚合物电解质的电化学性能测试
• 第3章 原位聚合法制备的凝胶型聚合物电解质
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 2 复合聚合物的制备'>3.2.2 P（AN-MMA）/TiO₂复合聚合物的制备
• 2 复合聚合物电解质薄膜的制备'>3.2.3 P（AN-MMA）/TiO₂复合聚合物电解质薄膜的制备
• 3.3 结果与讨论
• 1H NMR 分析'>3.3.1 聚合物的¹H NMR 分析
• 3.3.2 复合聚合物电解质的红外光谱分析
• 2 凝胶聚合物电解质的离子电导率'>3.3.3 P（AN-MMA）/TiO₂凝胶聚合物电解质的离子电导率
• 2 凝胶聚合物电解质的离子迁移数'>3.3.4 P（AN-MMA）/TiO₂凝胶聚合物电解质的离子迁移数
• 3.4 结论
• 第4章 溶剂蒸发法制备多孔复合聚合物电解质
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 2 复合聚合物膜的制备'>4.2.2 P（AN-MMA）/TiO₂复合聚合物膜的制备
• 4.2.3 复合聚合物膜的孔隙率测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 复合聚合物膜的外观形貌
• 4.3.2 影响聚合物膜基体孔隙率的因素
• 4.3.3 复合聚合物电解质的红外光谱分析
• 4.3.4 复合聚合物膜的DSC 分析
• 4.3.5 复合聚合物电解质的电化学性能
• 4.3.6 复合聚合物电解质的电化学稳定性
• 4.4 结论
• 第5章 聚合物电解质在双电层电容器及电池中的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂与仪器
• 5.2.2 电容器和电池的制作及组装
• 5.2.3 双电层电容器和电池的电化学性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 交流阻抗特性
• 5.3.2 循环伏安特性
• 5.3.3 恒流充放电特性
• 5.3.4 电池的电化学性能研究
• 5.4 结论
• 第6章 相转化法制备多孔复合聚合物电解质
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂及仪器
• 6.2.2 多孔聚合物膜的制备及孔隙率的测定
• 6.3 结果和讨论
• 6.3.1 多孔聚合物膜的微观形态
• 6.3.2 多孔聚合物膜的孔隙率
• 6.3.3 聚合物电解质的红外光谱分析
• 6.3.4 多孔聚合物电解质的电化学性能
• 6.3.5 P（AN-MMA）/P（VDF-HFP）聚合物电解质的电化学稳定性
• 6.4 结论
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 前景与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的论文