【摘 要】
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固态锂离子电池由于其高安全性和高能量密度而备受关注。固态电解质作为其中的关键部件,决定了电池的性能。聚合物电解质是目前最具商业化潜力的固态电解质,但依然受到室温下低离子电导率的限制。本论文选择锂化共价有机框架(COF)为活性填料,以聚氧化乙烯(PEO)为基体,制备复合聚合物电解质(CPEs)。锂化COF具有规则的一维孔道结构,孔道内均匀分布的锂化位点能够降低锂离子扩散能垒,从而构建锂离子快速传导通
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固态锂离子电池由于其高安全性和高能量密度而备受关注。固态电解质作为其中的关键部件,决定了电池的性能。聚合物电解质是目前最具商业化潜力的固态电解质,但依然受到室温下低离子电导率的限制。本论文选择锂化共价有机框架(COF)为活性填料,以聚氧化乙烯(PEO)为基体,制备复合聚合物电解质(CPEs)。锂化COF具有规则的一维孔道结构,孔道内均匀分布的锂化位点能够降低锂离子扩散能垒,从而构建锂离子快速传导通道;在填充量较高的情况下,能够进一步降低PEO的结晶度,强化电化学性能。主要研究成果如下:锂化COF复合PEO基固态电解质的制备及其电化学性能强化:使用三醛基间苯三酚(Tp)和2,5-二氨基苯磺酸(Pa-SO3H)通过溶剂热法制备亚胺键连接的Tp Pa-SO3H,通过化学锂化法得到Tp Pa-SO3Li并将其用作CPEs的活性填料。Tp Pa-SO3Li均匀分布有锂化位点的一维孔道为锂离子传导提供了快速通道;同时能够稳定CPEs与电极间的界面,减少界面反应的发生。在0.75 wt%的超低填充量下,CPE在60℃时的离子电导率达到3.01×10-4 S/cm;将其应用于磷酸铁锂全固态电池,在0.5 C和60℃下能够稳定提供125 m Ah/g的可逆放电容量。锂化COF及其复合聚合物电解质的机械法制备与电化学性能强化:通过无溶剂的球磨法实现Tp Pa-SO3H的克级制备,并将制备时间从72 h缩短至3 h,显著提升了Tp Pa-SO3H的规模化制备能力;进一步通过化学锂化法制备Tp Pa-SO3Li;通过机械混合和压延法制备CPEs,将CPEs的制备时间缩短至30 min,并避免了CPEs表面由于溶剂挥发过快产生的孔洞、缺陷,以及Tp Pa-SO3Li在溶液中的团聚、沉降问题。纯机械方法的使用,避免了制备过程中有机溶剂的使用,对环境友好。Tp Pa-SO3Li在构建快速锂离子传导通道的同时,还能够抑制PEO链段的有序排列,降低CPEs的结晶度,从而显著提升离子电导率。添加10 wt%Tp Pa-SO3Li的CPEs在20℃下离子电导率可达9.51×10-6 S/cm,较(PEO)12Li Cl O4提升约13倍。Tp Pa-SO3Li的加入改善了电解质与电极间的界面,对全固态锂离子电池的性能具有提升作用。
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