MOF改性复合固态电解质膜制备及性能研究

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作为重要的储能技术,传统锂离子电池中含有易燃易泄露的有机电解液,这可能会造成电池在使用过程中发生短路、燃烧甚至爆炸等安全事故。为了满足人们对电池安全性的要求,可以采用固态电解质替代传统电解液,同时省去隔膜,简化结构。常见的聚合物PEO、PVDF-HFP虽然都具有较好的柔性、对锂盐的溶解能力强,但二者自身结晶度较高,不利于锂离子传导。如何降低聚合物的结晶度,增大室温离子电导率是本文的研究重点。本文分别以PEO、PVDF-HFP为聚合物基体,引入MOF改性的LLZO为填充物,用于降低聚合物的结晶度,增大室温下离子电导率。有机-无机复合的模式一方面保留了有机聚合物的柔性用于改善界面接触,另一方面借助无机固态电解质的机械强度抑制锂枝晶的生长。本文探究了改性填料加入量以及填料改性前后对电解质性能的影响,得出的主要内容如下:(1)改性的活性无机填料LLZO@ZiF-67具有较大的比表面积以及多孔结构,能有效抑制PEO基体的结晶度,增加非晶区含量。当聚合物基电解质中LLZO@ZiF-67含量为20 wt%时,复合固态电解质(PLZ-20)离子电导率最高,为1.09×10-4 S·cm-1,是纯聚合物电解质(PEO)的7倍,所组装的Li/PLZ-20/Li对称电池的恒电流充放电测试显示出长达600 h的稳定性,表明复合电解质膜与锂金属电极之间具有良好的相容性,有利于锂的均匀沉积,并且有足够的机械强度抑制锂枝晶的生长。所组装的全固态电池Li/PLZ-20/LFP循环稳定性好,在60℃下,首圈放电比容量为154.3 m A h g-1,循环100圈后容量保持率达91.45%。(2)改性的活性无机填料LLZO@ZiF-8为相互交联的多孔结构,一定程度上能限制较大阴离子的移动,降低PVDF-HFP基聚合物的结晶度。当加入10wt%LLZO@ZiF-8填料时,复合膜PPE8-10 wt%在室温下阻抗最小,离子电导率达到最大,为1.74×10-4 S cm-1,是纯聚合物电解质PPE膜的4倍,此外PPE8-10 wt%复合膜的活化能为0.3533 e V,更有利于Li+的迁移。所组装的Li/PPE8-10wt%/Li对称电池稳定循环接近700 h,表明改性填料可以在一定程度上抑制锂晶体的生长,从而大大改善了电解质的循环稳定性。在全电池测试中,室温下Li/PPE8-10 wt%/LFP首圈放电比容量可达150.9 m A h g-1,稳定循环100圈后容量仍有126 m A h g-1。
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