锂离子电池用微孔型聚合物电解质的研究

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聚合物电解质是锂电池的重要组成部分,其电导率等特性是决定电池工作性能的重要因素。以偏氟乙烯均聚物或共聚物为基体的聚合物电解质体系具有优良的综合性能,得到众多研究者的关注。为了提高聚偏氟乙烯基电解质P(VDF-HFP)的性能,本文通过添加PMMA和无机纳米CaCO3对其进行改性。论文首先研究了采用不同溶剂(丙酮和DMF)对制备的P(VDF-HFP)基聚合物电解质膜性能的影响,两种电解质相比以DMF为溶剂制备的聚合物电解质膜的表面具有更大的孔洞,大的孔洞可以吸收更多的液体电解液,从而提高离子电导率。然后以不同组分的P(VDF-HFP)-PMMA为聚合物基体,DMF为溶剂,通过浸泡法将此共聚物覆盖在PP/PE/PP复合膜上,采用直接挥发的方法制备了聚烯烃膜支撑的聚合物微孔电解质膜。由于PP/PE/PP复合膜增加了包覆膜的机械性能和安全性能,而电解质膜的微孔可以吸收并固定大量的电解液,因而能有效解决聚合物电解质目前存在的电导率和机械强度等问题。研究了PMMA的含量对制得的聚合物电解质性能的影响。实验得出,P(VDF-HFP)∶PMMA=1∶1时制得的聚合物电解质膜的非晶度最高,所以在室温下对液体电解液1mol/L LiPF6的EC/DMC/EMC(体积比为1∶1∶1)具有最高的电解液吸附率(306%)和离子电导率(4.08mS/cm),电化学稳定窗口高达5.2V。以其为电解质组装的聚合物锂离子电池有很好的倍率和循环稳定性能。首次研究了加入纳米级的CaCO3无机填料制备的复合微孔聚合物电解质(CMPE)的性能,CaCO3的加入不影响聚合物膜形成多孔的结构,且XRD测试结果表明无机纳米粒子的添加不影响聚合物的晶体结构,聚合物电解质仍然保持非晶态。该复合聚合物电解质的电导率达到3.44mS/cm,电化学稳定窗口为4.8V。电池Li/CMPE/Li和Li/CMPE/C的测试结果表明聚合物电解质与锂负极和石墨负极都有很好的相容性。通过测试Li/CMPE/Li电池CV扫描前后的EIS,发现CV扫描可使锂电极表面交替发生锂的电化学沉积和溶解反应,使锂电极表面得到活化,从而导致电池沉积/溶解峰电流的增大和锂电极界面阻抗减小。最后研究了以复合微孔聚合物电解质CMPE(SiO2)和CMPE(CaCO3)为隔膜,LiCoO2、LiFePO4和LiMn2O4为正极材料,锂片为负极材料制备的聚合物锂离子电池的性能。结果表明:两种电解质制备的同一种聚合物锂离子电池的首次充放电性能相差不大;CMPE(CaCO3)制备的聚合物锂离子电池的倍率放电和循环性能要优越于CMPE(SiO2),这主要是由于CaCO3能中和电解液在循环过程中分解出来的能溶解正极活性物质的酸性产物。
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