聚合物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)

在蒸汽技术革命和电力技术革命之后,世界经济得到快速发展,但发展过程中对化石燃料的过度使用,导致全球变暖、气候变化反常和雾霾严重的一系列环境问题,人类逐渐意识到能源危机和环境污染问题的严峻性[1-2]。随着第四次工业革命的到来,人们开始大力开发能够可逆使用的清洁能源,对环境污染小、以新技术新材料为基础的新能源和能量存储器件的追求不断高涨[3]。其中锂离子电池作为一种高效能量存储和转换器件。具有以下显著优点:①能量密度高,其体积能量密度和质量能量密度分别可达450w·h/dm3和150 w·h/kg;②平均输出电压高,约3.6v,是ni-cd,ni-mh电池的三倍;③循环寿命长;④自放电小等优点[4]。因此,锂离子电池如今已成为便携式电子设备、电动汽车以及智能电网等储能设备的理想电源,在全球范围内受到非常广泛的应用和研究[5-6]

随着科技的发展,人们对锂电池性能提出了更高的要求,高性能锂离子电池的重要性日益突出[7]。目前的商业化锂离子电池中,液态电解质被广泛使用,其主要成分是六氟磷酸锂(lipf6)和多种非质子性的有机碳酸酯溶剂[8]。然而该体系中液态电解质可能与金属锂发生副反应,并且还易燃、易泄露,导致锂离子电池中容量的快速衰减和易燃易爆等危险的发生[9]。与液体电解质相比,固体聚合物电解质(solid polymer electrolytes, spes)不会发生电解液泄漏,安全性能好,具有一定的柔韧性,可弯折卷曲,并且在一定程度上能抑制锂枝晶的生长,可以提高锂离子电池的循环性能和安全性能[10],使得该类型电解质的研究受到广泛关注。虽然spes的安全性能引人瞩目,但依然存在一些亟待解决的问题。包括①离子电导率较低(20℃只有10-8-10-5 s·cm-1)②spes和金属锂之间界面膜稳定性较差;③电解质的锂离子迁移数较低;④电解质的成膜性能不足等[11]。由于以上问题,固体聚合物电解质难以大规模应用。

聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(pvdf-hfp)是一种pvdf低结晶度的衍生物。相比于纯的pvdf凝胶电解质而言,它的熔点更低,吸液膨胀度越高,更适合应用于锂离子电池中[12]。这是由于hfp参与共聚抑制了pvdf直链结构的规整排列,使得体系的自由体积增大[13]。其中,刚性结构的pvdf和结晶相提供机械支撑,无定型态的基团负责吸收电解液,两种作用相辅相成。capiglia实验室制备的以lin(cf3so2)2的ec/dec混合溶剂为电解液浸渍入pvdf-hfp基体制备的gpes的离子电导率最高可以达到10-2s/cm数量级。进一步的研究发现,随着pvdf-hfp含量增加,锂离子迁移数目下降[14]。pvdf-hfp基聚合物凝胶电解质膜的力学机械强度和与正负极材料的界面相容性仍有待改善。常用的方法是与其它具有强度高,吸液率好等性能的聚合物共混、交联。一般交联可以增强,共混可以增加吸液率,二者同时使用可以满足增强的同时增加导电率。聚合物固态电解质的出现很大程度的增强了锂离子电池的安全性能和使用范围,将其在大动力能源设备方面提供了可行性[15]。但它也存在着锂离子电导率不高,与正负极的界面相容性不好等缺点,这又从另一个方面限制了固态电解质在锂离子电池中的应用。如何提高强度、增加导电率、减少界面极化是固态电解质迫切需要解决的问题,也是近段时间研究的重点所在[16]

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1、文献调研,了解国内外相关研究概况和发展趋势,了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系;

2、利用三乙胺和1,3-ps合成zi;

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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4-8周:按照设计方案,制备固态聚合物电解质和lifepo4电极并完成电池组装。

第9-12周:采用sem、xrd、ftir等测试技术对聚合物固态电解质的形貌、结构与性能进行表征。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 朱玉松. 高性能锂离子电池聚合物电解质的制备及研究[d]. 复旦大学, 2013.

[2] 杜青霞. 全固态锂离子电池固体电解质及正极材料的制备及表征[d]. 2016.

[3] yang q , zhang z , sun x g , et al. ionic liquids andderived materials for lithium and sodium batteries[j]. chemical societyreviews, 2018:10.1039.c7cs00464h.

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