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无机/有机复合固态电解质的制备与性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着人类社会的进步和经济的发展,化石燃料的消耗日益增加,随之而来的环境问题和能源危机等日趋严重。于是,寻找新的清洁能源,改变不合理的能源结构越来越引起人们的重视。很多国家和地区已经将其提升到了新的战略高度,所以清洁能源的研究也被人民越来越广泛的关注。近年来,太阳能、风能、水能的研究和发展,也提高了人们对储能设备的需求,从而推进了人们对储能系统的研究。二次电池因为自身放电少,输出功率大,耐过充电过放电等优良特性成为了最有潜力的储能方式。其中,锂离子电池因为具有能量密度高,工作温度范围宽,无记忆效应和环境友好等优点,已经在市场上广泛应用,也被应用于公共交通和航空航天领域。

然而,传统的锂离子电池因为采用的是液态电解质,导致电池中发生着不可避免的副反应,以致电池容量发生不可逆的衰减;同时,液态电解质中有着挥发、泄露的潜在风险;此外,传统锂离子电池无法使用高能量密度的金属锂作为负极材料,从而会导致锂离子分布不均匀,锂电极反复溶解沉淀容易形成不均匀的空洞和枝晶,枝晶会刺穿隔膜,存在电池短路、热失控、着火和爆炸等安全隐患。而锂固态电池(solid-state battery,ssb)能够避免液态电解质所带来的副作用提高电池的服役寿命和安全性,所以它一直被认为是下一代最有潜力的储能材料。受益于固态电解质(solid-state electrolyte,sse)的固体特性,可以抑制锂枝晶生长,因此直接使用锂金属作为负极以实现更高的能量密度变为可能。阻碍全固态锂离子电池实际应用的根本问题是固态电解质与电极材料之间的物理接触不良所引起的很大的界面电阻,所以近年来对于全固态锂离子电池的研究主要集中在高离子电导率固态电解质的开发和结构的优化设计。

近年来,利用无机/有机体系制备复合固态电解质的策略正逐步引起科学研究者的广泛关注。相关研究表明,采用无机/有机体系制备复合固态电解质可以联合无机与有机材料的优点并协同提升固态电解质的综合性能,对全固态锂离子电池中固态电解质的研发具有指导意义。这类无机材料主要包括两类:惰性填料(如al2o3,sio2等)和活性填料(如li3n,li7la3zr2o12等);有机材料则常用peo,pan等聚合物。此外,将一维无机纳米线作为活性填料加入聚合物固态电解质,能够提供更加快速-高效和连续的锂离子扩散路径,从而使复合固态电解质具有更高的离子电导率。2015年美国斯坦福大学yi cui课题组首先报道将无机陶瓷纳米线作为活性填料加入聚合物pan可以促进复合固态电解质中离子传导网络的形成。2017年,该课题组再次报道一种由规则阵列纳米线与 pan 复合的固态电解质,与无序状态的纳米线相比,这种复合固态电解质具有更高的离子电导率和优异的循环稳定性。此外,近些年许多课题组发现,在无机填料中增加离子液体(il)可增强电介质的机械性能,还能显著提高离子电导率和锂离子迁移数,同时对抑制枝晶的形成有一定积极作用,更重要的是,还拥有更好的化学稳定性和循环稳定性。故本次实验采取加离子液体增强性能的无机物为填料,加入到聚合物中,来形成有机/无机复合材料。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:以mof吸附离子液体为无机材料与peo复合,制作有机/无机复合电介质。

材料表征:对复合材料进行形貌表征和电学性能表征,即用xrd测结晶程度,扫描电子显微镜观察形貌;用离子电导率(eis)、电压窗口(cv)、恒压极化曲线(il)和锂/锂循环曲线(llc)等电化学测试技术对其电化学性能进行了系统评估;此外还将进行li/sse/lifepo4电池性能测试。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-6周:按照设计方案,开展无机/有机复合固态电解质的制备任务,并优化其制备工艺。

第7-10周:无机/有机复合固态电解质的离子电导率、电化学窗口、锂锂循环、固态电池循环等性能表征。

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4. 参考文献(12篇以上)

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