聚环氧乙烷聚合物电解质基高电压固态锂金属电池的研究进展

采用液态碳酸酯电解质的锂离子电池在遭遇极端工况时, 极易发生泄露、燃烧、甚至爆炸等重大安全事故. 相对比, 聚环氧乙烷(PEO)固态聚合物电解质可以显著提升锂电池的安全性, 并且其优异的可塑性使其可以被制成特定形状进而满足特殊领域的差异化需求; 更为重要的是: PEO固态聚合物电解质与锂金属负极兼容性好. 然而, PEO固态聚合物电解质电化学氧化窗口低, 难以匹配高电压正极材料(≥4 V), 极大限制了其在高电压、高能量密度固态聚合物锂金属电池中的进一步应用. 近期经过国内外科研工作者在PEO固态聚合物电解质结构设计、PEO端羟基改性、含硼锂盐引入、功能型粘结剂设计开发以及正极界面层构筑等方面所做出的不懈努力, PEO固态聚合物电解质基高电压固态锂金属电池取得了系列化重大科研进展. 基于此, 本综述主要从以下八个方面: (1)高电压正极片表面修饰超薄聚合物层、(2)高电压正极颗粒包覆、(3)对碳黑颗粒进行包覆、(4)使用富含羧基的粘结剂、(5)不对称固态聚合物电解质结构设计、(6)正极界面原位形成耐高电压界面层、(7)醚氧官能团(-OCH₃)封端PEO, 提升其本征耐高电压性能、(8)含硼锂盐做添加剂, 详细综述了采用PEO固态聚合物电解质构建的高电压固态锂金属电池所取得的最新研究进展以及相应的高电压固态锂金属电池界面稳定作用机制. 最后还对未来PEO固态聚合物电解质在高电压固态锂金属电池方面所存在的巨大挑战和发展趋势进行了详细展望和总结阐述.     

含烷氧磺酸锂盐及对称星形醚的聚环氧乙烷基聚合物电解质的制备及电化学性能

合成了低聚度烷氧磺酸锂盐（LiSA(EO)n)和对称星形醚（STEO）增塑剂,并制备了聚环氧乙烷（PEO）基聚合物电解质。 研究了PEO16+LiSA(EO)n体系的锂离子迁移数和电导率与锂盐结构的关系,实验结果表明,LiSA(EO)n代替LiClO4作为锂盐时,其电导率得到提高,而且聚合物电解质的锂离子迁移数随着烷氧磺酸锂盐阴离子体积的增大而增加,并且其中PEO16+LiSA(EO)2体系的锂离子迁移数达到0.35。 STEO可明显地提高PEO16-LiSAEO-STEO体系的电导率,PEO16-LiSAEO-20%STEO室温电导率可达到0.5×10-4 S/cm。 通过DSC实验结果表明,STEO的加入,可有效降低聚合物电解质体系的熔融温度和结晶度,PEO16-LiSAEO-20%STEO电化学稳定窗口在4.4 V以上,可满足锂电池的应用要求。     

聚双(2-吡咯基乙氧基磷腈)的合成、氧化交联和导电性研究

有机 /无机杂化聚磷腈具有优良的加工性能和使用性能 ,可以在许多领域获得应用 [1] .具有光电活性的聚磷腈研究也引起了广泛的关注 [2～ 4 ] . Allcock等 [2 ] 合成了具有离子传导特性的聚磷腈 ,可应用于锂离子电池 .具有非线性光学特性的聚合物也有研究报道 [3 ] . L eung等 [4 ] 合成了具有电致发光基团的聚磷腈 ,部分聚合物具有蓝光发射的特征 .合成化学键合的聚 (N -烷基 )吡咯通用聚合物复合膜材料已经得到了重视[5,6] .本文合成了 2 -吡咯基乙醇 ,将其与反应性无机聚合物聚 (二氯 )磷腈进行高分子取代反应 ,合成了含吡咯侧基的聚磷…     

PEO基锂硫二次聚合物电池

分别对单质硫和PABTH (polyanthra [1 ,9 ,8 -b,c,d,e][4 ,10 ,5 -b ,c ,d ,e ]bis-[1,6,6a(6a-S^Ⅳ)trithia]pentalene)在PEO (polyethylene oxide)基聚合物电解质中的电化学性能进行了研究. 研究发现单质硫和PABTH在PEO基聚合物电解质中都存在放电产物溶解现象, 说明醚基电解液即使以聚合物形式存在(如PEO基聚合物电解质)也不能有效抑制硫电极放电产物的溶解损失. 因此, 必须设计合成具有特定结构的电解质溶剂, 以抑制硫电极放电产物的溶解. 另外, 硫及有机硫化物在PEO基聚合物电解质中的利用率较低, 这主要是由于硫及有机硫化物不是离子导体, Li^＋在硫及有机硫化物中的扩散系数较低, 同时, 传输Li^＋的PEO分子量较大, Li^＋不能被有效传输至材料颗粒的内部. 因此, 全固态聚合物电解质不适合锂硫二次电池, 液态小分子电解质溶剂更有利于锂硫二次电池发挥其高比容量.     

超分子碱金属膦酸盐——哌嗪双膦酸钠的合成及晶体结构

二维或三维金属膦酸盐聚合物作为功能材料在催化、离子交换和纳米材料等研究领域受到广泛关注 .最初的研究主要集中在四价金属盐 ,后来陆续报道了对于其它价态金属盐的研究 [1～ 3] ,但关于单一碱金属的研究报道较少 . 2 0 0 0年 ,Aranda等[4 ] 报道了首例 Na2 [( HO3PCH2 ) 3NH ]· 1 .5 H2 O( Na PP- 1 )晶体结构 .与其它膦酸盐的明显差别是 ,碱金属双膦酸盐是治疗骨质疏松症的药物 [5] .本文从重要的医药原料哌嗪 [6 ]出发 ,制备并测定了一种具有超分子特征的 α-氨基双膦酸钠Na2 [( HO3PCH2 ) NC4 H8N( CH2 PO3H) ]( H2 O)…     

铝离子聚合物固态电解质

铝离子电池因其材料成本低、大倍率性能优异和循环寿命超长等优势,而被认为在大规模静态储能应用中具有广阔前景.目前的铝离子电池大部分采用离子液体、尿素和熔融盐等液态电解液,其在实际工程化应用当中存在电解液渗漏的风险.相对而言,全固态电池则可以避免电解液渗漏的问题,还具有因去除隔膜和简化封装所带来的电池整体能量密度提升的优点.但是,目前领域内少有关于全固态铝离子电池的研究.基于此,采用溶液浇筑法,以冠醚作为添加剂和配位基团、以聚乙二醇（PEO）作为基底,制备出无定型结构的聚合物固态铝离子电解质.其中,冠醚不仅作为配位基团与铝离子进行配位提高铝离子的稳定性,而且作为相容性高的添加剂降低聚合物结晶度,从而提高固态电解质的离子电导率.测试表明,制备出的18-6/PEO/Al（CF₃SO₃）₃体系聚合物固态铝离子电解质是非晶态为主的晶态与非晶态共存的薄膜,且具备很高的离子电导率（室温,5.5×10^-6 S/cm;100℃高温,1.86×10^-3 S/cm）和较宽的电化学稳定窗口（0~3 V）,这为全固态铝离子电池的研发奠定了基础.     

PEO-LiClO_4-SiO_2-SCA体系电化学性能研究

选用硅烷偶联剂(SCA)对聚环氧乙烯(PEO)基固态聚合物电解质体系进行改性.通过XRD,DSC,SEM,FTIR,EIS和拉伸性能测试等方法对材料进行了表征,考察了SCA对电解质电化学性能和力学性能的影响;对SCA的作用进行了分析.结果显示,SCA的加入显著降低了体系的结晶度,材料的电化学性能和力学性能得到了明显的改善.PEO8-LiClO4-5%SiO2-SCA体系室温电导率达到9.0×10-4S/cm,屈服强度达到2.04MPa(25℃).同时,SCA使电解质膜表面变得更为光滑、致密,这有利于降低与电极片间的接触阻抗.     

含硅氢键聚二硅氧烷/聚醚共混聚合物电解质 I. 离子电导率研究

首次采用新型有机硅聚合物——侧链含一半硅氢键的羟基封端聚二硅氧烷(PSEMH)与聚氧乙烯醚(PEO)作为基质, 通过溶液浇铸法制备了PEO-PSEMH-LiClO4全固态共混聚合物电解质膜. 交流阻抗谱实验测定结果表明PSEMH与PEO共混作为聚合物电解质的基质可以显著提高共混聚合物电解质的离子电导率. PSEMH含量为25%, O/Li＋为12∶1时, 共混聚合物电解质具有最大离子电导率2.7×10－5 S•cm－1 (28 ℃). PSEMH的引入一方面可以显著地抑制PEO的结晶性能, 另一方面PSEMH分子链节中的二硅醚氧原子与Li＋间具有配位作用, 且参与了共混聚合物电解质锂离子迁移运动.     

纳米SiO2复合的梳状聚醚聚合物电解质的导电性能研究

于含锂盐的梳状聚醚聚合物电解质添加纳米S iO2制备复合聚合物电解质.并分别使用DSC和XRD研究S iO2对聚合物链段运动能力的影响.电导率测试表明,在相同的锂盐浓度下,加入5%的纳米S iO2后,聚合物电解质具有最高的离子电导率,30℃时为7.8×10-5S/cm,80℃时达到4.5×10-4S/cm.与未添加S iO2的聚合物电解质相比,电导率提高了30%~60%.TGA测定给出该聚合物的热分解温度为300℃左右,显示出良好的安全性能.     

PEO与Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3络合的离子导体聚合物电解质

将实验室经固相反应的精细Li1．3Al0．3Ti1．7(PO4)3盐与聚氧化乙烯(PEO)按照不同，nEO／nLi摩尔比，通过溶液浇铸法制备了固态聚合物电解质。红外光谱分析表明Li1．3Al0．3Ti1．7(PO4)3盐与PEO之间有络合产生。SEM照片显示PEO晶体外层为无定形相所包覆形成的胞状结构。经电化学阻抗(简称EIS)法测试发现聚合物电解质膜的室温阻抗谱图是由高频处一压缩的半圆和低频下一条直线组成，而高温时的阻抗谱主要为一条直线。离子电导率的测试结果得到：当nEO／nLi=16时，聚合物电解质室温下电导率约为10^-6／cm，343K时达到10^-4s／cm。离子迁移率的数据表明聚合物电解质为离子和电子共混的导体，但在聚合物电解质体系中电荷的迁移主要是由离子作为载流子导电造成的，由测试结果可得此电解质为离子导体。     

阻抗虚部计算聚合物电解质电导率

用交流阻抗法研究了（PEO1）10LiClO4-Al2O3和（PEO2）16LiClO4－碳酸乙烯酯（EC）两种复合物电解质体系的电导率，给出了等效电路和各拟合元件的物理意义。当阻抗谱图发生严重变形时，提出一种比较简单的计算聚合物电解质电导率的方法－－阻抗虚部最大值法。     

Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3基固体复合电解质的制备及锂离子导电行为

将聚氧化乙烯(PEO)和二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)混合(固定EO/Li摩尔比为13)后, 采用溶液浇注法制备了一系列不同Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃(LAGP)与PEO质量比的LAGP-PEO(LiTFSI)固体复合电解质体系. 结合电化学阻抗法、 表面形貌表征以及与惰性陶瓷填料(SiO₂, Al₂O₃) 性能的对比分析, 探讨了LAGP在固体复合电解质中的作用机理以及锂离子的导电行为. 结果表明, 在以LAGP为主相的固体复合电解质中, PEO主要处于无定形态, 整个体系主要为PEO与LiTFSI的络合相、 LAGP与PEO(LiTFSI)相互作用形成的过渡相和LAGP晶相. 其中LAGP作为主要的导电基体不仅起到降低PEO结晶度、 改善两相导电界面的作用; 同时自身也可以作为离子传输的通道, 降低锂离子迁移的活化能, 从而使离子电导率得到提高. 当LAGP与PEO的质量比为6:4时, 固体复合电解质的成膜性能最好, 离子电导率最高, 在30 ℃时为2.57×10^-5 S/cm, 接近LAGP的水平, 电化学稳定窗口超过5 V.     

PEO/LiClO_4纳米SiO_2复合聚合物电解质的电化学研究

将实验室制备的纳米二氧化硅和市售纳米二氧化硅粉末与PEO LiClO4复合 ,制得了复合PEO电解质 .它们的室温离子电导率可比未复合的PEO电解质提高 1～ 2个数量级 ,最高可以达到 1 2 4× 10 - 5S cm .离子电导率的提高有两方面的原因 :一是无机二氧化硅粉末的加入抑制了PEO的结晶 ,是二氧化硅粉末和聚合物电解质之间形成的界面对电导率的提高也有一定的作用 .在进一步加入PC EC(碳酸丙烯酯 碳酸乙烯酯 )混合增塑剂后制得的复合凝胶PEO电解质 ,可使室温离子电导率再提高 2个数量 ,达到 2× 10 - 3 S cm .用这种复合凝胶PEO电解质组装了Li|compositegelelectrolyte|Li半电池 ,并测量了该半电池的交流阻抗谱图随组装后保持时间的变化 ,实验观察到在保持时间为 144h以内钝化膜的交流阻抗迅速增大 ,但在随后的时间内逐渐趋于平稳 ,表明二氧化硅粉末的加入可以有效地抑制钝化膜的生长     

复合聚合物电解质的导电行为及电导率的测定

研究了乙烯碳酸酯（EX）增塑的（PEO）16LiClO4-EC复合聚合物电解质交流阻抗谱图，提出了不锈钢电极／聚合物电解质／不锈钢电极这种结构在交流阻抗测试分析中具有普适性的模拟等效电路，并且根据等效电路中元件拟合值测定出复合聚合物电解质体系在不同EC增塑量及温度时的电导率，用复合聚合物电解质体系中各组分之间的相互作用解释了EC对聚合物电解质电行为的影响，在低EC含量的复合聚合物电解质体系中，电导率和温度的关系在低温时符合Arrhenius方程，在高温时符合Vogel-Tamman-Fulcher(VTF)方程；而当EC含量大于20％时，电导率和温度的关系在实验温度范围内符合VTF方程。     

Synthesis and Characterization of a Novel Polymer Electrolyte for Lithium-ion Battery

A novel polymer electrolyte with the formula of Li2B4O7-PVA for lithium-ion battery was synthesized and its ion conductivity and mechanical properties were also tested. It is found that the conductivity of the prepared polymer electrolytes is higher than that of LiClO4/PEO or LiClO4/EC-DMC by two or three orders in magnitude and a large delocalized bond formed in Li2B4O7-PVA lead to transportation of Li ion easier, this electrolyte possesses high thermo-stability and can be used under 200℃.     

高氯酸锂与1,3-氮氧杂环-戊-2-酮形成的二元熔盐电解质

制备了高氯酸锂(LiClO4)与1,3-氮氧杂环-戊-2-酮(OZO)形成的二元熔盐电解质, 虽然先导物具有较高的熔点, 但二者可形成均一、稳定的共熔体系, 测试结果表明该熔盐体系具有低的共熔温度(-50 益). 红外光谱分析表明OZO 通过Li—O 键与LiClO4中Li+配位而破坏了LiClO4的离子键,形成很大的配位阳离子,削弱了阴阳离子间的库伦作用力; 同时Li—O 配位也导致OZO 分子间的氢键断裂, 因而体系的共熔温度较之纯物质熔点显著降低, 部分样品室温下以液体状态稳定存在. 采用交流阻抗法和循环伏安法对其电化学性质进行研究, 结果显示, 配比n(LiClO4):n(OZO)=1:4.5 的样品室温(25 ℃)电导率为0.66×10^-3 S·cm^-1, 80 ℃电导率为7.33×10^-3 S·cm^-1; 其电化学稳定电位窗口约为3.5 V.     

氧亚甲基连接的聚氧乙烯多嵌段聚合物的合成和性能研究

用不同分子量聚乙二醇和二氯甲烷在氢氧化钾存在下合成几种氧亚甲基连接的聚氧乙烯多嵌段聚合物。某些聚合物具有较好的力学性能和一定的结晶度,聚合物与LiClO4络合物的室温电导率较高,35℃时的电导率随聚氧乙烯链段分子量变化出现峰值。以电导率最高的络合物为电解质,Na1+xV3O8复合物和Li片分别为正、负极组装了薄型锂电池并测定其放电性能。     

含锂沸石Li-FER提高PEO复合聚合物电解质电导率

通过离子交换方法使锂部分取代了镁碱沸石（FER）孔道壁上羟基中的氢，制得含锂沸石Li-FER. 将这种沸石作为无机填料加入到PEO/LiClO₄聚合物电解质中，可以使其室温电导率提高三个数量级以上. 电化学测量表明， 锂离子与PEO和含锂沸石中氧的相互作用提高了聚合物电解质中锂离子的迁移数. 另一方面， 采用XRD, DSC, PLM等方法研究了电解质的结晶状况.结果表明, Li-FER可以作为PEO链段结晶的成核剂，使PEO电解质的晶粒得到细化， 结晶度降低，为Li⁺的传输提供了更多的非晶区通道. 这是Li-FER的加入促使PEO聚合物电解质电导率提高的两个主要原因.     

聚氧化乙烯/高岭石聚合物电解质的制备与表征

通过尿素对高岭石的插层及随后的超声脱除处理,制备了一种片层剥离的高岭石粉体,并将这种剥离高岭石与聚氧化乙烯/高氯酸锂(PEO/LiClO_4)体系复合,制备出PEO/高岭石复合物.采用X射线衍射仪、红外光谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描量热仪、电化学工作站和万能材料试验机进行结构表征和性能测试.结果表明,尿素在高岭石层间的插层和脱除引起了高岭石片层的剥离,片层厚度小于50 nm.剥离高岭石在PEO/LiClO_4体系中与PEO形成了强烈的氢键作用,促进了PEO结晶度的降低,进而提高复合物的离子电导率.含有20 wt%剥离高岭石填料的PEO/高岭石复合物的离子电导率达到6.0×10~(-5) S/cm,与未复合的PEO/LiClO_4相比,提高了一个数量级.复合物制备过程中的烘干温度对PEO的结晶度会产生一定的影响,95°C下的烘干处理能得到结晶度较低,离子电导率较高的复合物.此外,剥离高岭石的添加显著提高了聚合物的杨氏模量和拉伸强度,与未复合的PEO/LiClO_4相比,杨氏模量和拉伸强度最大提高了256%和121%.