【摘 要】
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面对当前社会所面临的严峻能源与环境问题,燃料电池和锂离子电池作为一种清洁且高效的能量转化与存储装置越来越被受到重视,而其中的电解质材料是电池的核心部件,获得性能优异的电解质材料一直是研究者们致力追求的目标。固态电解质材料相比于传统的液态电解质材料因其化学稳定性好、安全性高等优点备受关注,而现有市售的固态电解质材料需要在较为温和的环境中才能实现较好的性能,一定程度上限制了其在电池中的应用。使用无机填
【基金项目】
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国家自然科学基金; 广东省自然科学基金
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面对当前社会所面临的严峻能源与环境问题,燃料电池和锂离子电池作为一种清洁且高效的能量转化与存储装置越来越被受到重视,而其中的电解质材料是电池的核心部件,获得性能优异的电解质材料一直是研究者们致力追求的目标。固态电解质材料相比于传统的液态电解质材料因其化学稳定性好、安全性高等优点备受关注,而现有市售的固态电解质材料需要在较为温和的环境中才能实现较好的性能,一定程度上限制了其在电池中的应用。使用无机填料与嵌段共聚物的自组装来制备具有微相分离结构的聚合物复合固态电解质材料因能兼具聚合物基底和填料的优点而成为固态电解质研究的热门,其中多金属氧酸盐作为一种结构明确、电化学性能优异的纳米分子簇在新型固态电解质的应用前景非常广阔。因此,本文提出了一种一步制备微相分离型高温无水离子导电纳米复合材料的简单、通用化方法,将含有氢质子和锂离子的多酸与聚乙二醇基大分子链转移剂均匀溶解在含有苯乙烯、二乙烯基苯单体的有机溶剂中,除氧后只需简单加热便可发生可逆加成-断裂链转移（RAFT）自由基聚合反应,干燥处理后即可得到所需的固态电解质材料。所得高温无水离子导电纳米复合材料具有双连续的微相分离结构,其中多酸均匀分散在聚乙二醇嵌段中形成导电相,成功实现了对质子和锂离子的有效传递,高度交联的聚苯乙烯相提供力学支撑,为整体材料提供了强的机械性能和高的热稳定性。所制备的微相分离型高温无水离子导电纳米复合材料克服了传统固态电解质材料在高温条件下工作的安全性和稳定性问题,避免了现有固态电解质材料掺入的小分子酸易从聚合物基质中渗出的缺点,并且此方法工艺简单,拓展性强且质量易于控制,拓宽了燃料电池和锂离子电池在极端环境中的应用。本实验制备的质子型导电纳米复合材料PW12-PEG5k-b-P（S-co-DVB）具有双连续微相分离结构,两相之间的特征尺寸为16～20 nm,其中30 wt%PW12-PEG5k-b-P（S-co-DVB）样品在150℃高温无水条件下,质子电导率达到2.03×10-4 S cm-1,实现了质子的有效传导,并且材料热稳定温度在200℃以上,保证了所得质子型固态电解质在极端环境中的应用;所制备的锂离子型导电纳米复合物30 wt%Li7V15-PEG400在80℃下锂离子电导率达到了1.12×10-4 S cm-1,通过对离子电导率进行阿伦尼乌斯拟合,计算出离子导电活化能在0.228～0.511 e V的较低水平;所制备的锂离子导电纳米复合材料Li7V15-PEG5k-b-P（S-co-DVB）具有双连续微相分离结构,两相之间的特征尺寸为17～27nm,其中30 wt%Li7V15-PEG5k-b-P（S-co-DVB）样品在145℃无水条件下的锂离子电导率为2.71×10-6 S cm-1,并且材料热稳定温度在200℃以上,保证了所得锂离子型固态电解质在极端环境中的应用。将所制备的材料装进Li|Li7V15-PEG5k-b-P（S-co-DVB）|Li对称电池中,通过电位极化法算出在80℃时锂离子迁移数为0.87,接近单离子导电固态电解质的离子迁移数,有效地实现了锂离子的传导。
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