P（MMA-PEGDMA）凝胶聚合物电解质的制备及其结构表征与性能研究

论文摘要

锂离子二次电池以其高能量密度、无记忆效应、无污染等突出优势已在手机、笔记本电脑、手提摄象机等便携式电子产品中得到了广泛应用。这些电池主要用有机溶剂作为电解液,使得电池在高温下容易发生漏液和爆炸等危险,以聚合物电解质取代液态电解质制备成聚合物锂离子电池,是锂离子电池发展的一个重大进步,其最显著的特点就是有效的提高了电池的安全性能,易于加工成各种形状的薄膜,从而可制造超薄和各种形状的电池。目前,凝胶聚合物电解质的使用已经基本上能满足锂离子电池的需求,但是在热力学稳定性和机械强度等方面还存在一些问题,特别是在国防应用领域,要求电解质在宽的温度范围内有优良的电化学性能,许多工作还有待深入。本论文从聚合物基体的选择、合成到凝胶聚合物电解质的制备入手,对凝胶聚合物电解质的性能进行了改进和优化,制备了性能良好、能满足国防工业需要的凝胶聚合物电解质。主要研究内容包括以下几个方面:首先,用化学交联法合成了P（MMA-PEGDMA）凝胶聚合物电解质,聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）大分子单体作为交联剂使其形成网状结构。采用红外光谱（FTIR）、热重分析（TG）技术对聚合物电解质的结构和热性能进行表征;用扫描电镜（SEM）对其外观形貌进行了观察。结果表明,P（MMA-PEGDMA）膜具有良好的结构稳定性和热稳定性。其次,用模板法合成了介孔分子筛SBA-15,并将其作为无机填料掺入到共聚物P（MMA-PEGDMA）基体中,制备了复合凝胶聚合物电解质（CGPE）。采用原子力显微镜（AFM）、热重分析（TG）等技术对其形貌、热稳定性进行了表征。结果表明,无机填料SBA-15与聚合物基体有较好的相容性,且SBA-15的加入改善了聚合物电解质的热稳定性。最后,对制备的凝胶聚合物电解质薄膜的电化学性能进行了系统研究。研究发现,凝胶聚合物电解质的离子电导率随聚合物中有机电解液含量的增加而升高,当有机电解液的含量为70wt.%时,其室温离子电导率达3.16×10-3S/cm;介孔材料SBA-15的加入提高了凝胶聚合物电解质的离子电导率,当SBA-15含量为3wt.%时,复合凝胶聚合物电解质的电导率增大到3.68×10-3S/cm。SBA-15的加入不但能改善凝胶聚合物电解质的电导率,还能提高其界面稳定性和电化学稳定性。其电化学稳定窗口为4.9V（vs.Li/Li+）,可满足高性能锂离子电池的需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 聚合物锂离子电池的研究进展
• 1.1.1 聚合物锂离子电池的概述
• 1.1.2 聚合物锂离子电池的结构与工作原理
• 1.2 聚合物电解质的发展现状与电导机理
• 1.2.1 聚合物电解质的概述
• 1.2.2 聚合物电解质的应用条件
• 1.2.3 聚合物电解质的发展历程
• 1.2.4 聚合物电解质的离子电导模型
• 1.3 凝胶聚合物电解质的组成
• 1.3.1 聚合物基体
• 1.3.2 增塑剂
• 1.3.3 锂盐
• 1.4 凝胶聚合物电解质的改性
• 1.4.1 共混或共聚
• 1.4.2 交联
• 1.4.3 无机掺杂
• 1.5 凝胶聚合物电解质的制备方法
• 1.6 本论文的研究目的和主要内容
• 1.6.1 本论文的研究目的
• 1.6.2 本论文研究的内容
• 第2章 P（MMA-PEGDMA）网状凝胶聚合物电解质的制备及结构表征
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 甲基丙烯酰氯的合成
• 2.2.3 PEGDMA大分子单体的合成
• 2.2.4 网状凝胶聚合物电解质P（MMA-PEGDMA）的制备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PEGDMA大分子单体的结构表征
• 2.3.2 凝胶聚合物电解质的红外光谱研究
• 2.3.3 凝胶聚合物电解质的热稳定性研究
• 2.3.4 凝胶聚合物电解质膜的形貌分析
• 2.4 小结
• 第3章 SBA-15改性的凝胶聚合物电解质的制备及结构表征
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 介孔材料SBA-15的制备
• 3.2.3 复合凝胶聚合物电解质的制备
• 3.2.4 性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 介孔材料SBA-15的结构表征
• 3.3.2 复合凝胶聚合物的红外表征
• 3.3.3 复合凝胶聚合物电解质的XRD分析
• 3.3.4 复合凝胶聚合物电解质的热稳定性
• 3.3.5 复合凝胶聚合物电解质的形貌分析
• 3.4 小结
• 第4章 P（MMA-PEGDMA）网状凝胶聚合物电解质的电化学性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 试验部分
• 4.3 电化学测试原理分析
• 4.3.1 交流阻抗测试
• 4.3.2 界面阻抗测试
• 4.4 凝胶聚合物电解质的离子电导率研究
• 4.4.1 不同的有机电解液含量对电导率的影响
• 4.4.2 温度对凝胶聚合物电解质电导率的影响
• 4.5 凝胶聚合物电解质的电化学稳定性研究
• 4.6 小结
• 第5章 SBA-15改性的复合凝胶聚合物电解质的电化学性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 复合凝胶聚合物电解质的电化学性能研究
• 5.2.1 不同SBA-15含量的复合凝胶聚合物电解质的电导率
• 5.2.2 复合凝胶聚合物电解质的界面稳定性研究
• 5.3 掺杂SBA-15前后凝胶聚合物电解质的电化学性能比较
• 5.3.1 GPE和GPE-SBA15的电导率分析
• 5.3.2 GPE和GPE-SBA15不同存放时间电导率的变化
• 5.3.3 掺杂SBA-15前后的凝胶聚合物电解质的界面稳定性研究
• 5.3.4 GPE和GPE-SBA15的电化学稳定性研究
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的论文及成果