硅负极与锂金属负极用压力敏感型胶粘剂

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金属锂和单质硅是两种最具有前景的锂离子电池负极材料。但是锂金属负极在循环过程中容易生成锂枝晶,体积变化大,因而容量利用率低,并存在安全隐患。而硅负极材料在循环过程中体积膨胀最高可达300%,循环性能较差。针对上述问题,本论文采用共聚法合成了具有粘弹性可控、机械强度高、玻璃转化温度适中的压力敏感型胶粘剂,作为硅负极的粘结剂和锂金属负极的人造保护膜,并系统研究了其对电极的保护作用和对电化学性能的提升作用。首先,以丙烯酸异辛酯(2-EHA)和丙烯酸(AA)为单体,通过共聚的方式成功制备压力敏感型胶粘剂。系统探究了,合成条件(如反应温度,反应时间,原料比例等)对胶黏剂的影响。另外,通过各种表征手段(如FT-IR和1H NMR)明确了所合成的聚合物的结构特征,物化性质,然后测定了它们的流变性、玻璃转化温度、延展性等性质。其次,用原子力显微镜、CPMD等表征手段确定了含20 mol%2-EHA的压力敏感胶粘剂(PSA-20%)与硅表面的作用力更强。并且对所合成粘结剂对其电化学性能进行表征,在电流密度为0.1 C(1C=3600 m Ah g-1)下,以PSA-20%为粘结剂的硅负极首周充电比容量为3028 m Ah g-1,100周后容量保持率为83%。对极片用SEM、TEM等进行表征同样发现其结构在循环之后相对完整。最后,对聚合物的延展性、杨氏模量等物化性质进行表征可以得知,含70mol%2-EHA的聚合物(PSA-70%)相对于PSA-50%与PSA-80%具有更好的性能。将PSA-70%化学交联之后所得的聚合物(C-PSA-70%)具有更强的机械强度与更好的延展性。以C-PSA-70%为人造保护膜的锂|铜半电池在电流密度为1m A cm-2,充放电容量为1 m Ah cm-2的条件下循环250周,平均效率约为96.7%。C-PSA-70%保护下以磷酸铁锂为正极材料的全电池在0.5 C(1C=140 m Ah g-1)的电流密度下循环150周之后,容量保持率为93%。本文所使用的压力敏感型胶粘剂合成简单,泛用性较强,对下一代高能电池的发展具有重要的意义。
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