锂离子电池聚离子液体基隔膜与电极的制备及电化学性能研究

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随着锂离子电池(LIBs)能量密度的不断提升和应用规模的不断扩大,其安全性受到广泛关注。引入不可燃的离子液体电解液(ILE)是提升LIBs安全性的有效途径之一。但是,ILE存在与聚烯烃隔膜浸润性差、离子电导率与锂离子迁移数低等问题,严重制约了电池的性能。本论文针对ILE与传统聚烯烃隔膜不兼容的难题,开展了聚离子液体(PIL)基隔膜与电极的研究,利用PIL的极性和荷电官能团,制备了与ILE兼容的隔膜;在此基础上,利用PIL聚合物骨架的可加工性,进一步制备了PIL基蒽醌聚合物复合电极,提升了基于ILE的LIBs的电化学性能与热安全性。主要研究内容及结果如下:(1)针对ILE与商业聚烯烃隔膜浸润性差、离子电导率和锂离子迁移数低的问题,采用静电纺丝法制备了聚(二烯丙基二甲基胺)双(三氟甲基磺酰)亚胺(PDADMATFSI)纳米纤维隔膜,探究了该隔膜与ILE的浸润性、对离子传输及对LIBs高温性能的影响。研究发现,PIL基隔膜具有特殊的极性和孔隙结构,实现了隔膜和ILE良好的浸润性,PIL骨架上的荷电官能团有效调节了ILE中的溶剂化结构,促进电解液中的离子传输,锂离子迁移数高达0.47。所组装的Li||Li Fe PO4电池在120°C高温、5 C大倍率下稳定循环200次,放电比容量高达145 m Ah g-1。(2)采用离子交换与静电纺丝法,设计制备了PIL基聚(二烯丙基二甲基胺)蒽醌-2磺酸(PDADMA-AQS)聚合物电极,通过控制纺丝液中碳纳米管含量等实验条件,调控了电极微观结构与形貌。系统研究了PDADMA-AQS电极在有机电解液中的溶解程度、形貌和结构调控对电极导电子能力的影响及电池的高温性能。采用ILE与PIL基PDADMATFSI隔膜,构筑了具有优异热稳定性的Li||PDADMA-AQS电池。该电池在55°C、0.5 C条件下可逆容量达到120 m Ah g-1,循环200次后的容量保持率为78%。该研究工作为解决蒽醌类有机电极易溶于传统有机电解液及热安全性差等难题提供了新思路。
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