基于离子液体凝胶电解质柔性纤维状电池的研究

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作为柔性可穿戴电子设备的重要组成部分,柔性能源器件应当具有高安全性、高能量密度和优异的柔性。在众多的柔性能源器件中,柔性纤维状电池因具有高体积能量密度、优异的柔韧性和能被编织成织物等优点而具有较好的发展前景。然而,传统的有机电解液存在有毒、易泄漏和易燃的危险,大部分水系电解液的分解电压低和工作温度范围窄,无法满足纤维状电池对于柔性、宽温度范围和安全性的要求。针对有机和水系电解液的问题,本文采用离子液体为电解液和聚离子液体为聚合物基底,合成了高离子电导率和热稳定的离子液体凝胶电解质,开展了相应纤维状电池工作温度范围和热安全性的研究。通过在溶有乙酸锌(Zn(CH3COO)2)的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺([EMIm][DCA])中热聚合和交联聚离子液体单体1-乙烯基-3-乙基咪唑二氰胺([VEIm][DCA])制备了高离子电导率离子液体凝胶电解质。[EMIm][DCA]与[VEIm][DCA]较强的化学亲和性使得[EMIm][DCA]能够较好地限定在聚离子液体网络中而不发生相分离。基于该电解质的纤维状Zn//MnO2电池在室温下具有3.3 m Ah cm-3的体积比容量,并且电池体积比容量在0℃下具有73%的保留率和60℃下得到1.4倍的提高。为了进一步优化聚[VEIm][DCA]凝胶电解质,首先研究了在液态电解液中加入硫酸锰(MnSO4)对于电池的容量的影响。MnSO4的加入提高了Zn//MnO2电池在液态电解液中的容量,在0.1 A g-1的电流密度下,电池在含MnSO4的离子液体电解液中的容量比不含MnSO4时提高了1.3倍。通过在离子液体凝胶电解质中掺杂二氧化硅(SiO2)纳米颗粒的方法,提高了聚[VEIm][DCA]凝胶电解质的耐燃性。此外,基于掺杂40 wt%SiO2纳米颗粒凝胶电解质的纤维状Zn//MnO2电池在电流密度为0.1 A g-1时具有277.0 m Ah g-1的比容量。为了进一步实现纤维状电池的热安全性,通过在溶有双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)和碳酸亚乙烯酯(VC)的离子液体电解液中聚合和交联1-乙烯基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺([VMIm][TFSI])制备了不可燃离子液体凝胶电解质。该凝胶电解质具有-74.2℃的玻璃转变温度和350℃的分解温度,将该离子液体凝胶电解质应用于Li4Ti5O12//LiFePO4纤维状锂离子电池中,电池在室温下具有135 m Ah g-1的比容量,在0和40℃下保留了室温容量的89和60%。
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