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离子液体/纳米复合聚合物电解质的制备及其电化学研究

作　者: 夏庆林
导　师: 李朝晖
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理化学
关键词: 离子液体聚合物电解质纳米粒子高压静电纺丝锂离子电池
分类号: O631.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

聚合物锂离子电池具有安全性能好、能量密度高、易于成型等优点受到广泛关注。离子液体作为一种绿色化学溶剂,是目前化学领域的研究热点。由于离子液体具有较高的离子电导率、较宽的电化学窗口、不燃烧、不挥发、热稳定性能好等特点,增塑聚合物电解质后,可以改善锂电池的安全性,避免了使用传统的碳酸酯类增塑剂所带来的安全隐患。本论文中,我们使用室温离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIBF4)为增塑剂,与SiO2—聚偏氟乙烯-六氟丙烯[P(VDF-HFP)]—LiBF4体系复合,制备了新型的高温安全纳米复合聚合物电解质。主要研究内容包括以下两个方面：1、我们用溶液铸膜法制备了P(VDF-HFP)—LiBF4—Si02—EMIBF4纳米复合聚合物电解质(nanocomposite polymer electrolyte,NCPE),用傅里叶红外光谱(FTIR).电子扫描电镜(SEM)、热失重(TG)、示差扫描量热(DSC)等手段对其进行表征,用电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectra,EIS)、循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)等技术对其进行电化学性能测试。FTIR结果表明,纳米SiO2与聚合物链的相互作用,改变了聚合物的晶相。TG结果显示,此类聚合物电解质的热分解温度达到290℃,纳米粒子含量对NCPE的热稳定性基本没有影响。DSC结果表明,NCPE的结晶度随SiO2纳米粒子的加入而降低,无定形区增加,其离子电导率得到提高。CV和LSV结果显示,NCPE的阴极和阳极稳定电位范围分别为-1.0～-0.5 V和4.05～5.66 V(vs.Li/Li+)。当SiO2质量分数为2%时,聚合物电解质的离子电导率最大,为0.47×10-3S/cm。以LiFePO4为正极材料,金属锂为负极材料,所得NCPE为隔膜组装的聚合物锂二次电池,在室温下以0.1、0.2、0.5和1.0C放电时,电池的首次放电容量分别为133、101、73和58 mAh/g,并且有较好的循环稳定性和倍率性能。2、我们用高压静电纺丝法制备了Si02—P(VDF-HFP)纳米复合聚合物膜,以EMIBF4为增塑剂,得到纳米复合聚合物电解质(NCPE).研究结果显示,在增塑剂体系中加入DEC和γ-BL虽然降低了聚合物电解质的热稳定性,但能提高其离子电导率和界面稳定性。CV和LSV结果显示,此类聚合物电解质的阴极稳定电位达-1.0V(vs.Li/Li+),阳极稳定电位范围为4.9～5.0V(vs.Li/Li+).含5%SiO2的聚合物膜浸渍1 mol/L LiBF4/EMIBF4—DEC—γ—BL(2:1:1,v/v/v)电解质溶液后,所得聚合物电解质的室温离子电导率为3.48×10-3S/cm。以LiFePO4为正极材料,金属锂为负极,此NCPE为隔膜组装的聚合物锂二次电池,在室温下以0.1C、0.2C和0.5C放电时,电池的首次比容量分别为157、138和99mAh/g,经过50次循环后,容量保持率分别为97%、85%和84%,显示出较好的循环稳定性和倍率性能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-23
  1.1 聚合物电解质的概述  11
  1.2 聚合物电解质的分类  11-15
    1.2.1 全固态聚合物电解质  11-12
    1.2.2 凝胶聚合物电解质  12-15
  1.3 离子液体的概述  15-17
    1.3.1 离子液体的定义及其发展历史  15-16
    1.3.2 离子液体的特点及其种类  16-17
  1.4 离子液体聚合物电解质  17-22
    1.4.1 离子液体聚合物电解质的分类  17-19
    1.4.2 离子液体聚合物电解质在光电池中的应用  19
    1.4.3 离子液体聚合物电解质在双电层电容器中的应用  19-20
    1.4.4 离子液体聚合物电解质在锂离子二次电池中的应用  20-22
  1.5 本论文研究的内容和意义  22-23
第二章试验方法  23-29
  2.1 实验药品及试剂  23
  2.2 实验仪器设备  23-24
  2.3 聚合物电解质的性能测试方法  24-26
    2.3.1 核磁共振光谱仪~1H NMR  24
    2.3.2 傅立叶变换红外光谱  24
    2.3.3 差热扫描分析法  24-25
    2.3.4 热重分析法  25
    2.3.5 扫描电子显微镜  25
    2.3.6 循环伏安分析法  25
    2.3.7 交流阻抗法  25
    2.3.8 电化学稳定窗口的测定  25-26
    2.3.9 恒电流充放电测试  26
  2.4 离子液体的制备  26-29
    2.4.1 离子液体EMIBF_4的合成  26-27
    2.4.2 离子液体红外表征  27-28
    2.4.3 离子液体核磁表征  28-29
第三章溶液铸膜法制备离子液体/纳米复合聚合物电解质  29-44
  3.1 引言  29
  3.2 实验部分  29-30
    3.2.1 离子液体/纳米复合聚合物电解质膜的制备  29-30
    3.2.2 离子液体/纳米复合聚合物电解质的表征  30
    3.2.3 离子液体/纳米复合聚合物电解质的电化学测试  30
  3.3 结果与讨论  30-42
    3.3.1 离子液体/纳米复合聚合物电解质的红外表征  30-33
    3.3.2 离子液体/纳米复合聚合物电解质的TG分析  33
    3.3.3 离子液体/纳米复合聚合物电解质的DSC分析  33-34
    3.3.4 离子液体/纳米复合聚合物电解质的形貌分析  34-35
    3.3.5 离子液体/纳米复合聚合物电解质的电导率分析  35-37
    3.3.6 离子液体/纳米复合聚合物电解质的电化学稳定窗口  37-39
    3.3.7 离子液体/纳米复合聚合物电解质的界面阻抗与时间的关系  39-40
    3.3.8 离子液体/纳米复合聚合物电解质的充放电性能测试  40-42
  3.4 本章小结  42-44
第四章高压静电纺丝法制备离子液体/纳米复合聚合物电解质  44-58
  4.1 前言  44
  4.2 试验部分  44-46
    4.2.1 纳米SiO_2—P(VDF-HFP)聚合物膜的制备  44-45
    4.2.2 液态电解质的的配制  45
    4.2.3 聚合物膜的孔隙率及吸液率的测定  45
    4.2.4 离子液体/纳米复合聚合物电解质热分析及其电化学性能测试  45-46
  4.3 结果与讨论  46-56
    4.3.1 纳米P(VDF-HFP)聚合物膜的微观形貌  46-47
    4.3.2 聚合物膜的孔隙率及吸液率的测定  47
    4.3.3 纳米粒子及增塑剂对聚合物结晶度的影响  47-48
    4.3.4 增塑剂对纳米复合聚合物电解质热稳定性的影响  48-49
    4.3.5 纳米复合聚合物电解质的电化学性能  49-56
      4.3.5.1 离子电导率  49-51
      4.3.5.2 DEC和γ-BL对聚合物电解质|电极界面的影响  51-53
      4.3.5.3 离子液体/纳米复合聚合物电解质电化学窗口  53-54
      4.3.5.4 离子液体/纳米复合聚合物电解质充放电测试  54-56
  4.4 本章小结  56-58
第5章总结与展望  58-60
  5.1 总结  58-59
  5.2 展望  59-60
参考文献  60-66
致谢  66-67
个人简历  67-68
附录  68

离子液体/纳米复合聚合物电解质的制备及其电化学研究

内容摘要

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