聚苯胺水凝胶的制备和性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

随着电子设备和电动汽车等的普及,人们对于电力能源的需求日益增加,锂离子电池由于具有比容量大、绿色环保、安全无污染、可循环充放电等优点而得到快速发展[1-3]。其中,硅基负极由于其比容量可达4200mAh/g,甚至比商业化的石墨电极高出10倍,其还有较低的脱嵌锂电位,以及丰富的自然资源,安全性和环境友好性等优点[4-7],因而备受关注。然而由于硅电极材料在使用过程中的体积变化将近300%,导致其在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落,使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触,同时不断形成新的固相电解质层SEI,最终导致电化学性能的恶化和循环寿命的下降[8]

现在已有诸多方案来尝试解决硅电极使用过程中的循环稳定性问题。其中有很多研究设计了从零到三维的硅基纳米结构材料,特别是其分层结构(多孔或空心结构、核-壳、蛋黄-蛋壳),来尝试改善其循环性能[9 - 11]。然而,其中的大多数材料的制备都过于复杂,难以规模化。此外,这些改性的纳米结构或多孔结构材料往往比表面积大,粒间阻力大,振实密度低。这些特点导致了其初始库仑效率低(ICE)、体积容量小,因而不适合于实际应用。

另外还有研究设计合成了碳硅复合材料,炭材料由于具有良好的循环稳定性能和优异的导电性而用于与硅的复合,比较典型的是使用共形合成的多层石墨烯笼子封装SiMP(约1-3 mm)[12]。石墨烯具有柔性度好、纵横比高、导电性优异和化学性能稳定等优点。良好的柔性使得石墨烯易于与活性物质复合得到具有包覆或层状结构的复合材料。石墨烯笼在电池多次循环过程中,对硅微粒起到了一个柔性缓冲的作用,使得SiMP在笼内膨胀和破裂的同时还能保持复合材料表面上良好的电气连接和SEI稳定性。

另一方面,良好的电极粘合剂可以更大程度地承受Si体积变化并降低对活性材料结构的严格要求。传统的PVDF粘合剂由于其于集电体和硅微粒间较弱的范德华力,而不适用。目前已经探索、研究并合成了多种聚合物,天然多糖及其衍生物作为粘合剂来改善Si电极的电化学性能[13,14]。除了CMC和海藻酸钠之外,还发现聚(丙烯酸)(PAA)及其衍生物可以通过其羧基或羟基与Si微粒表面层上氧化硅的羟基形成氢键结合,用作Si电极的高效粘合剂[15]。最近,基于滑轮原理,Choi S等[16]提出了一种用于硅阳极的粘合剂,将少量(5wt%)聚轮烷(PR)(包含聚乙二醇(PEG)线和2-羟丙基功能化的α-环糊精(α-CD)环)与聚丙烯酸(PAA)共价交联,仅仅5wt%聚轮烷的加入就使得高分子网络具有很高的可伸缩性和弹性,通过“滑轮”的移动,可以大幅降低在硅电极在膨胀过程中施加在聚合物网络上的张力,使得硅微粒在重复(脱)锂化过程中即使粉碎也能保持连接而不分离。而在随后的脱锂过程中,环通过熵排斥由高能态回到了基态,使得在循环过程中经历大的体积改变的高容量锂离子电池电极能够保持电极形态,在面积容量约为2.5 mAh/cm2 (0.2 C)时,实现了较长的循环寿命。

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