锌离子导电PVDF-HFP基聚合物电解质薄膜的制备及性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zjh73
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随着科技的发展,人类对能源的需求越来越大,能源危机成为了人类面临的全球性挑战。而在我国的十九大报告中,也明确指出需要构建更安全高效的能源体系以适应当前发展的需要。锌离子电池作为一种具有更高理论能量密度,成本低廉,安全环保的新型电池受到了国内外的广泛关注。而目前应用于二次电池中的有机电解液存在漏液,易燃易爆等问题,本课题为解决这些问题,研制出一种更安全稳定的锌离子导电的PVDF-HFP基聚合物电解质,并研究其结构与性能。本课题以PVDF-HFP聚合物,Zn(Tf)2锌盐为原料,通过溶液浇铸法制备出一种PVDF-HFP基全固态电解质,并通过SEM、XRD、TGA、EIS、CV等测试方法,分析其表面形貌,晶体结构,热稳定性能及电化学性能,最终得到综合性能较佳的全固态电解质。研究结果表明锌盐的加入可以改善聚合物基体的表面结构,增加微孔的数量,降低聚合物电解质的结晶度及热分解温度。锌盐与聚合物基体质量比为40%时,全固态电解质综合性能最佳,热分解温度在350℃左右,离子迁移数为0.983,离子电导率为2.44×10-55 S/cm,电化学稳定窗口达到3.45 V。虽然该电解质具有较好的综合性能,但是由于离子电导率较低,难以实际应用。针对全固态电解质离子电导率低,电化学窗口较窄的问题,以[EMIM][OTf]离子液体为增塑剂,在全固态电解质的制备工艺的基础上制备出凝胶态电解质,并采用相同的表征方法研究其结构及性能。研究表明离子液体[EMIM][OTf]能够进一步改善聚合物电解质内部的微孔结构,使得微孔更多,结构更丰富,而且还能够降低聚合物电解质的结晶度。当[EMIM][OTf]与PVDF-HFP基体质量比为40%时,得到的凝胶态电解质综合性能最佳。热分解温度在305℃左右,杨氏模量为117 MPa,抗拉强度仅为5.74 MPa,断裂延伸率为204%,仍然能够满足在储能器件上的应用。离子迁移数为0.999,离子电导率为1.44×10-4 S/cm,电化学稳定窗口达到4.14 V,相对全固态电解质,电化学性能显著提高,能够满足在储能器件上的应用。将制得的凝胶态电解质应用于超级电容器上,发现超级电容器内阻较小,为48.81Ω。在01V的电压下工作更稳定,充放电曲线比较对称,有较好的电容性能。在0.045 A/g的电流密度下充放电,比电容能达到88.24 F/g,随着电流密度的增加,比电容下降幅度不大,具有良好的倍率性能。在循环充放电测试下,库伦效率始终保持在98%左右,充放电过程稳定,但是循环稳定性还有待提高。
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