纖維素類聚合物電解質的制備及其在鋰離子電池中的應用.pdf

1、隨著科技的進步與經濟的飛速發(fā)展，人們生活水平的提高，能源供給與能源需求之間的矛盾日益尖銳。為了應對日益嚴峻的“能源危機”和迎合環(huán)境保護的主題，發(fā)展可持續(xù)、環(huán)境友好的綠色新型能源體系成為當務之急。二次電池作為一種可以便利快捷的儲存化學能且可將儲存的能量高效無污染地轉化為電能的設備而受到廣泛關注。其中，鋰離子電池由于具有能量密度高、輸出電壓高、輸出功率大、自放電小、工作溫度寬、無記憶效應和循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在便攜式電子設備、移動通訊燈光領域

2、中獲得廣泛應用，而且大容量鋰離子電池在混合動力汽車及純電動汽車中也有較好的應用前景，其亦可作為風能、太陽能、潮汐能和地熱能等綠色能源的儲存設備應用與小型電網系統(tǒng)。但是，鋰離子電池的安全性與可靠性有待提高。目前鋰離子電池使用的電解質為液體電解質，當電池被濫用、內部短路或過熱時，很容易將有機液體引燃，導致電池起火爆炸。為了大幅度提高鋰離子電池的安全性與可靠性，迫切需要研制新型的電解質體系。使用聚合物電解質可以避免傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的漏液問題

3、，提高電池的安全性和能量密度，同時又可以實現(xiàn)電池的薄型化、輕便化和形狀可變。而纖維素作為天然高分子聚合物，來源豐富，對環(huán)境無污染，價格低廉，這從很大程度上明確了纖維素作為聚合物電解質研究基礎的趨勢。
　　本論文主要開展了如下研究:甲基纖維素聚合物電解質的制備、多孔羧基甲纖維素聚合物電解質的制備和高性能復合型聚合物電解質的制備。
　　1.甲基纖維素聚合物電解質的制備
　　纖維素來源豐富，低價環(huán)保，而且溶液粘度大，成膜性能

4、好;在本研究中采用水溶性的纖維素甲基纖維素(MC)作為原材料通過加水溶解成膜，對所制備的聚合物膜進行紅外光譜(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)、熱重分析(TG)和差式掃描量熱分析(DSC)等測試手段進行了表征。將聚合物膜吸收有機電解液LB315制備了聚合物電解質，該電解質的室溫離子電導率(0.2mScm-1)接近于商用隔膜Celgard2730（0.21 mS cm-1）;同時該聚合電解質的鋰離子遷移數(0.29)相對于LiPF6電解液

5、在Celgard2730隔膜中的離子遷移數(0.27)有些許提高，這在一定程度上有助于鋰離子在電池充放電過程中的移動，對電池電化學性能提高有幫助。該種甲基纖維素聚合物電解質應用在鋰離子電池中在不破壞電池性能的基礎上，可以大大地縮減電池成本，而且在整個制備過程中對環(huán)境無污染，體現(xiàn)了這種纖維素聚合物電解質在實際應用中的很大優(yōu)勢。
　　2.多孔羧甲基纖維素聚合物電解質的制備
　　羧甲基纖維素(CMC)作為一種水溶性及成膜性能較好的

6、纖維素，與人們的生活息息相關，被廣泛應用食品、醫(yī)藥、建筑等各大領域中。本節(jié)以CMC作為原材料，通過加入不同比例的溶劑水(H2O)與非溶劑N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解，制備了一系列多孔聚合物膜，對所制備的聚合物膜進行紅外光譜(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)、熱重分析(TG)和差式掃描量熱分析(DSC)等測試手段進行了表征。將聚合物膜吸收有機電解液LB315制備了聚合物電解質，經過進一步測試得出了這一系列多孔膜的離子電導率，其中室溫

7、離子電導率最高的可達0.48mS cm-1，比商用隔膜Celgard2730(0.21 mS cm-1)有很大的提高;同時該多孔聚合電解質膜在吸收過1 mol L-1 LiPF6電解液之后，通過測試得出其鋰離子遷移數(0.46)相對于LiPF6電解液在Celgard隔膜中的離子遷移數(0.27)有大幅提高.
　　3.高性能復合型聚合物電解質的制備
　　聚合物電解質膜是影響鋰離子電池性能的重要因素，通過對聚合物的改性，能夠改善

8、聚合物電解質膜的綜合性能。為了尋找安全性高、力學性能好、電化學性質穩(wěn)定的高性能聚合物電解質，本文將MC和PVDF進行復合，制備一種新型三明治夾層結構的復合膜PVDF/MC/PVDF。該復合膜表現(xiàn)出較高的安全性、好的電化學性能及較低的生產成本。復合膜PVDF/MC/PVDF吸收1 mol L-1 LiPF6電解液后制得PVDF/MC/PVDF聚合物電解質，該電解質的室溫電導率達到1.5 mScm-1，比吸收LiPF6電解液后Celgard