磷酸酯基凝胶聚合物电解质用于构建高安全性锂/钠离子电池及其性能研究

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由于锂/钠离子电池具有能量密度高、输出功率大、工作电压高、循环性能好、便携等特点而得到了人们的广泛应用。电解液为离子的传输提供可能,对电池的电化学性能有着重要影响,同时又是决定电池安全性能的重要因素之一。目前商业化的电解液多为液态电解液,其具有易挥发、闪点低、易漏液等特点而易引发火灾或爆炸。为了提高电池的安全性,并结合磷酸酯的强阻燃性、丙烯酸酯优异的聚合能力、乙二氧基的易调柔性等优点,本文设计合成了一系列不同链长的螺环季戊四醇双磷酸酯交联剂和一种二丁基磷酸酯共聚单体。选取其中三种磷酸酯并分别与丙烯酸酯系列单体共聚得到三种磷酸酯基凝胶聚合物电解质,将其分别应用到锂/钠离子电池领域,对其热稳定性及一系列电化学性能进行测试,用以评估其潜在的价值。具体内容见下:通过螺环季戊四醇双磷酰二氯和丙烯酰羟乙酯类化合物的亲核取代反应制得一系列不同链长的螺环季戊四醇双磷酸酯交联剂,通过NMR、FT-IR、HR-MS对其结构进行表征,验证其结构的正确性和化合物纯度。选取其中具有代表性的两个交联剂,并与丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸三氟乙酯进行三元共聚,制得两种螺环季戊四醇双磷酸酯凝胶聚合物电解质。研究发现,这两种聚合物基体具有有利于离子传输的非晶态结构,且260°C内均不分解,表现出良好的热稳定性,燃烧实验表明凝胶聚合物电解质有明显的阻燃效果。同时,两种凝胶聚合物电解质与玻璃纤维隔膜具有较好的相容性,较高的离子电导率(具体为3.256×10-3 S cm-1、2.893×10-3 S cm-1),较宽的电化学稳定窗口(5.0 V vs.Na/Na+),较短时间内可形成稳定界面,较长的循环寿命(750 h时仍均平稳工作)。在此基础上,为进一步验证离子传输效果和界面稳定性,选取其中一种凝胶聚合物电解质进行相关性能表征表明:该凝胶聚合物电解具有较高的离子迁移数(0.604)和较好的界面稳定性。以上测试表明,制备的螺环季戊四醇双磷酸酯凝胶聚合物电解质满足较优电解质的基本条件。将两种螺环季戊四醇双磷酸酯凝胶聚合物电解质与电极材料Na3V2(PO43组装钠离子电池,在室温下对其进行相关性能表征表明:两种凝胶聚合物电解质电池均具有比液态电池更优的循环性能(循环至1600周,液态电池的比容量降至58.0 m Ah g-1,两种凝胶聚合物电解质电池的比容量分别降至71.9 m Ah g-1和81.5m Ah g-1)和略优的倍率性能。再此基础上,为进一步探究Na3V2(PO43电池的高温性能,选取其中一种电池在60°C高温下进行相关性能表征表明:在270 m A g-1恒电流密度工作下,凝胶聚合物电解质电池的比容量(93.4 m Ah g-1)远高于液态电池的比容量(62.5 m Ah g-1)。为进一步探究该电解质的广泛适用性,选取其中一种凝胶聚合物电解质和3,4,9,10-四甲酰二亚胺有机电极材料组装钠离子电池,结果表明该凝胶聚合物电解质电池具有比液态电池略优的电化学性能,进而证明其不仅适用于无机电极材料,同样适用于有机电极材料。通过氯磷酸二丁基酯与甲基丙烯酸羟乙酯的亲核取代反应合成(2-甲基丙烯酰氧乙基)二丁基磷酸酯单体,并将其和三乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯三元共聚,制得二丁基磷酸酯凝胶聚合物电解质。对聚合物基体进行热重分析,结果表明其起始分解温度高达225°C,表现出优异的热稳定性。LSV结果表明该凝胶聚合物电解质具有较宽的电化学稳定窗口(4.5 V vs.Li/Li+)。将凝胶聚合物电解质与电极材料Li Fe PO4组装锂离子电池,结果表明其初始比容量为137.9m Ah g-1,循环50周时容量保持率为81.8%,其首周库伦效率为94.5%,且之后的库伦效率均在95%以上。总之该凝胶聚合物电解质锂离子电池表现出具有较好的循环性能和较高的库伦效率。这两项工作扩充了具有阻燃性能的凝胶聚合物电解质的体系,且通过一系列电化学测试表明所设计的三种磷酸酯凝胶聚合物电解质均具有较好的电化学性能,对设计并研究高安全性的离子电池具有重大意义。
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