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纯固态聚合物电解质室温电导率太低,不能满足商业化锂离子电池的要求,而传统液态有机电解质在高温下易燃烧,使锂离子电池不安全。凝胶聚合物电解质同时具固体电解质的高温安全性能和传统液态有机电解质的较高的离子电导率和良好的界面稳定性而被广泛研究和应用,但目前应用的凝胶聚合物电解质的离子电导率和界面稳定性还有待改善。
为了提高凝胶聚合物电解质离子电导率和界面稳定性,本论文制备出三类凝胶聚合物电解质:(1)乳液聚合法合成聚(甲基丙烯酸丁酯-丙烯腈)P(BMA-co-AN),通过浸泡将此共聚物涂覆在聚烯烃(PE)隔膜上,制备了聚烯烃多孔膜支撑的聚合物电解质膜,然后浸泡在电解液中得到凝胶聚合物电解质;(2)在已经制备的P(BMA-co-AN)基质中添加纳米Al2O3来制备PE支撑P(BMA-co-AN)/Al2O3多孔聚合物电解质,提升已经制备的P(BMA-co-AN)的综合性能;(3)在已经制备的P(BMA-co-AN)基质,与聚偏氟乙烯(PVDF)共混,得到复合型聚合物(BMA-co-AN)-PVDF电解质。
通过热重分析(TG)及红外光谱(FTIR)等方法研究了聚合物的性质,通过扫描电镜(SEM)、吸液率测量、交流阻抗(EIS)、线性电位扫描和电池充放电实验等方法研究了聚合物膜和聚合物电解质的性质,得到的结论如下:
(1)以不同比例甲基丙烯酸丁酯(BMA)和丙烯腈(AN)为单体,用乳液聚合法合成P(BMA-co-AN)共聚物,并以此共聚物制备了聚烯烃(PE)多孔膜支撑的凝胶聚合物电解质膜。结果表明:当单体BMA和AN的比例为2∶1时,共聚物P(BMA-co-AN)在168℃范围内有很好的热稳定性;PE支撑的聚合物电解质膜有很好的孔状结构,其吸液率达到200%,室温电导率高达1.59×10-3 S.cm-1。得到的PE支撑的聚合物电解质的电化学稳定窗口为4.8V(vs.Li/Li+),并且以该聚合物电解质制备的聚合物锂离子电池有良好的循环和倍率放电性能。
(2)在P(BMA-co-AN)基质中添加纳米Al2O3来制备PE支撑P(BMA-co-AN)/Al2O3多孔复合聚合物电解质并研究其性质。结果表明:纳米Al2O3的加入,能改善以PE支撑P(BMA-co-AN)凝胶聚合物为电解质的锂离子电池的性能。相比于没有添加任何纳米Al2O3的聚合物电解质,添加10%纳米Al2O3的聚合物电解质具有更好的性能,其电导率从1.59×10-3 S.cm-1提高到2.37×10-3S.cm-1,电化学稳定性从4.8V提高到5.2V(vs.Li/Li+),界面阻抗从110Ω.cm2减少至74Ω.cm2。
(3)用制备的P(BMA-co-AN)基质与聚偏氟乙烯(PVDF)复合,得到复合型聚合物电解质薄膜P(BMA-co-AN)-PVDF并研究其性质。结果表明:P(BMA-co-AN)-PVDF聚合物电解质膜比P(BMA-co-AN)基体膜具有更好的性能,电化学稳定性从4.8V提高到5.4 V(vs.Li/Li+),界面阻抗从110Ω.cm2减少至52Ω.cm2,并且以该聚合物电解质制备的聚合物锂离子电池有良好的循环稳定性能。