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自新兴产业迅速发展以来,锂离子电池因具有工作电压高、放电平稳、循环寿命长、能量密度大、绿色环保等优点在电源应用领域受到了广泛的广阔。在锂离子电池中,与传统的液态电解质相比,固态聚合物电解质(SPE)具有质轻、易成膜、黏弹性好、使用安全等特点,不仅解决了锂电池在工作中漏液、热分解问题,而且具有优良的热稳定性和机械性能,因此,它成为了锂电池电解质的重点发展对象。水性聚氨酯(WPU)是一种绿色环保、结构可调且在水中分散性好的大分子材料,尤其是非离子型WPU (NPU)因具有生物相容性好、耐电解质等特点而被广泛应用。聚氧化乙烯(PEO)与锂盐的“络合-解离”作用实现了Li+在PEO基聚合物电解质中的迁移,增加SPE的离子电导率。但是目前PEO基SPE存在低温结晶度高,电导率低和力学强度小等问题。将PEO通过共价键引入到NPU中,不仅可以提高SPE的低温离子传导性,而且力学强度也得到了改善。本文将EO链段引入到NPU中,并以NPU为聚合物基体,制备了不同系列固态电解质,并探讨了锂盐含量和聚氨酯结构对固态电解质性能的影响。本文主要分为四个章节：(1)不同LiClO4含量对固态电解质性能的影响本章首先以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚环氧丙烷二元醇(N 220)、三羟甲基丙烷聚乙二醇单甲醚(Ymer N-120)、1,4-丁二醇(BDO)为原料,合成了非离子型水性聚氨酯乳液,并以此为聚合物基体,添加LiClO4制备了固态聚合物电解质。采用傅里叶转变红外光谱(FT-IR)、动态热力学分析(DMA)、热重分析(TGA)、力学性能分析、电化学工作站等测试方法,通过改变LiClO4含量,探讨了其对固态电解质性能的影响。结果表明,随着LiClO4含量的增加,固态电解质膜的耐热性能有所降低；电解质胶膜的拉伸强度逐渐增大,而断裂伸长率则降低,当LiClO4含量为18%时,电解质膜的拉伸强度达到18.2 MPa；固态电解质的离子电导率随着温度升高逐渐升高,并符合Arrhenius方程。相同温度下,电解质的离子电导率随着LiCO4含量增加呈现先增加后减小的趋势,当LiCO4含量为15%时,电解质的离子电导率达到最大,值为9.55×10-6S/cm。(2)不同聚氨酯硬段含量对固态电解质性能的影响本章首先以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚环氧丙烷二元醇(N 220)、三羟甲基丙烷聚乙二醇单甲醚(Ymer N-120)、1,4-丁二醇(BDO)为原料,合成了非离子型水性聚氨酯乳液,并以此为聚合物基体,制备了固态聚合物电解质。采用傅里叶转变红外光谱(FT-IR)、动态热力学分析(DMA)、热重分析(TGA)、力学性能分析、电化学工作站等测试方法,通过改变聚氨酯的硬段含量,探讨了其对固态电解质性能的影响。结果表明,随着聚氨酯硬段含量的升高,固态电解质的耐热性能逐渐下降；电解质胶膜的拉伸强度逐渐增大,而断裂伸长率则降低,当硬段含量为44.81% 时,电解质膜的拉伸强度达到18.6MPa；该系列固态电解质的离子电导率随着温度升高逐渐升高,并符合Arrhenius方程,相同温度下,电解质的离子电导率随着聚氨酯硬段含量的增加呈现先增加后减小的趋势；当硬段含量为38.28%时,电解质的离子电导率达到最大,值为1.55×10-5S/cm。(3)不同Ymer N-120含量对固态电解质性能的影响本章首先以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚环氧丙烷二元醇(N 220)、三羟甲基丙烷聚乙二醇单甲醚(Ymer N-120)、1,4-丁二醇(BDO)为原料,合成了非离子型水性聚氨酯乳液,并以此为聚合物基体,添加LiC104制备了固态聚合物电解质。采用傅里叶转变红外光谱(FT-IR)、示差扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、力学性能分析、电化学工作站等测试方法,通过改变Ymer N-120含量,探讨了其对固态电解质性能的影响。结果表明,随着Ymer N-120含量的增加,电解质的玻璃化转变温度有所降低；膜的拉伸强度减小,而断裂伸长率升高。红外分峰结果显示,室温下,Li+主要以Li+ClO4-离子对的形式存在,自由锂离子占有比例较少；随着Ymer N-120含量的增加,与Li+络合的C—O—C数量先增加后减小,当Ymer N-120含量为24.88%时,自由的Li+最多,占总离子数的24.35%,并且Li+与C—O—C络合的峰面积最大,为92.07%。该固态电解质离子电导率随着温度的升高逐渐升高,并符合Arrhenius方程。相同温度下,电解质的离子电导率随着Ymer N-120含量增加呈现先增加后减小的趋势,当Ymer N-120含量为24.88%时,电解质离子电导率达到最大值(2.44×10-5S/cm)。(4)锂离子电池的组装工艺和电化学性能研究本章选取前三章中离子电导率最高的三种固态电解质(SPE5、SPE9、SPE15),分别以Li/电解质/不锈钢片和Li/电解质/Li体系组装了扣式模型电池,综述了电池的装配流程并研究对比了三种固态电解质的电化学稳定性和离子迁移数。结果发现,SPE15的电化学稳定性(分解电压为4.7 V)优于SPE9(分解电压为4.5 V)、SPE5(分解电压为4.2 V),而且SPE15的离子迁移数为0.40,均大于SPE9 (0.34)、SPE5 (0.30)。