磷系聚醚高分子合成应用于锂电池中的性能研究

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锂离子电池安全问题是限制其应用推广的重要因素,开发安全性电解质成为目前的研究热点。本文通过固态电解质和电解液阻燃添加剂两个思路设计合成了高安全性的聚醚电解质,并系统研究了其安全性能和电化学性能。主要研究内容如下:(1)以硅甲氧基封端聚环氧丙烷(TSPPG)、二草酸硼酸锂(LiBOB)和聚氧化乙烯(PEO),制备半互穿交联网络的电解质膜TSEO。该方法在不需要添加任何催化剂的情况下可以实现现场交联。扫描电镜图显示表面均匀且无孔聚合物电解质膜成功制备,XRD和DSC表明交联使PEO结晶度降低,加入少量聚碳酸丙烯酯(PC)后,电导率可以与液态电解质相媲美,其室温下电导率可以达到10-3 S/cm,电化学稳点窗口接近4.5 V,LiFePO4/Li电池以及LiFe0.2Mn0.8PO4/Li电池有良好的循环和倍率性能。(2)以锂镧锆氧(LLZO)、TSPPG、LiBOB原位交联制备复合电解质,掺杂LLZO纳米颗粒后,电解质膜的模量得到提高,达到29 MPa,可抑制锂枝晶的生长;电解质膜具有良好的柔性,能够适应充放电过程中锂金属负极的体积变化。通过恒流极化实验发现,锂沉积更加均匀,佐证了其有效抑制了锂枝晶的生长。室温下该凝胶电解质电导率为10-3 S/cm,LiFePO4/Li和LiCoO2/Li电池有良好的循环稳定性,0.5 C电流密度下100圈充放电循环后容量保持率均为90%以上。(3)本研究利用二氯磷酸乙酯和聚乙二醇反应合成聚醚磷酸酯阻燃添加剂EPCP,提高市售电解液阻燃性能,来提高电池安全性。通过凝胶渗透色谱、红外、核磁等手段对EPCP进行结构表征,证明EPCP为低聚物。对添加了EPCP的电解液进行安全性能测试,当添加剂用量为15%时,可抑制电解液燃烧,且对电解液的电导率没有影响,为3*10-3 S/cm。通过TGA和DSC测试证明EPCP可以提高电解液热稳定性。线性电位扫描法测得电解液加入EPCP后分解电压升高。组装Li/LiFePO4和Li/Li CoO2半电池,添加EPCP后,电解液容量衰减慢,寿命增加,且倍率性能与商用电解液几乎一致。
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