摻雜2D二氧化硅的凝膠聚合物電解質(zhì)及其在鋰離子電池中的應用.pdf

1、二次鋰離子電池作為一種綠色的儲能和供能設(shè)備憑借其強勢的優(yōu)勢廣泛地應用于便攜式電子設(shè)備、電驅(qū)動交通運輸工具中。安全問題是儲能和供能設(shè)備首選的最關(guān)鍵的考慮因素，聚合物電解質(zhì)（PE）取代傳統(tǒng)的隔膜/電解液型電解質(zhì)可以從根本上提高鋰離子電池的安全性。凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）作為一種特殊的存在形態(tài)，因其既有固體的某些特性保證了其強度也有液態(tài)電解質(zhì)的一些性質(zhì)保證了其較高的離子電導率和鋰離子遷移數(shù)，使其成為當前PE研究領(lǐng)域的熱點。向PE中添加填料后

2、，其成為復合聚合物電解質(zhì)（CPE）。優(yōu)異的填料可使CPE的電化學、物理技術(shù)指標優(yōu)于PE，因而設(shè)計一種新穎填料的想法應運而生。本研究設(shè)計合成了兩種不同形貌的填料（統(tǒng)稱為PIL-FNPs），即片狀無孔二氧化硅（PIL-FSiNP）,片狀介孔二氧化硅（PIL-FMSiNP）。實驗工作分為兩部分，具體內(nèi)容如下：
　　1、以氧化石墨烯為模板制備出無孔/介孔片狀二氧化硅（NPs），并對其化學修飾得到填料PIL-FNPs；通過掃描（SEM）與透

3、射（TEM）電鏡表征其形貌；BET測試表明無孔/介孔片狀二氧化硅的表面積與孔隙率分別是63.9m2g-1、740.6m2g-1和0.22cm3g-1、1.28cm3g-1；熱重（TGA）分析得到無孔/介孔片狀二氧化硅上聚合物的接枝率分別為10.0wt.％和30.3wt.%；單體經(jīng)過自由基聚合以及與鋰鹽交換后變?yōu)榫垭x子液體（PIL）；離子液體（IL）通過兩步法合成；本研究制備的電解質(zhì)中離子液體含量占15wt.%，其制備步驟詳見下文。通過將

4、填料分散到離子液體中形成填料/離子液體分散液（PIL-FNPs/IL）來研究PIL-FNPs與IL間的相互作用，結(jié)果表明PIL-FNPs可以降低IL的活化能，促進IL的解離和離子的運動繼而增強離子液體的導電性；Through-plane與In-plane方向電導率測試結(jié)果顯示填料對電解質(zhì)的導電性能有維度影響；PIL/IL/PIL-FSiNP和PIL/IL/PIL-FMSiNP電解質(zhì)的最佳填料含量分別為5wt.%、8wt.%，此時電導率平

5、均提高~400%、~800%，相應的活化能為43.2kJ mol-1、40.4kJ mol-1；無孔/介孔填料對電解質(zhì)的強度、保液率的影響也有所差異。
　　2、基于前面的研究，配備0.5mol kg-1的鋰鹽與離子液體的混合液IL(LiTFSI)，制備出IL(LiTFSI)為20wt.%的電解質(zhì)并對其進行了電化學阻抗（EIS）、鋰離子遷移數(shù)（tLi+）、TGA、SEM、TEM、線性掃描伏安（LSV）、循環(huán)伏安（CV）、充放電（C-

6、D）等測試分析。測試結(jié)果表明：PIL/IL(LiTFSI)、PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FNPs電解質(zhì)的熱分解溫度分別約為344、349℃，完全滿足實際應用需求；PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FNPs電解質(zhì)電導率提高的程度低于PIL/IL/PIL-FNPs CPEs，但填料的貢獻趨勢一致；40℃和60℃時，PIL/IL(LiTFSI)、PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FSiNP、PIL/IL(LiTFSI)/PI

7、L-FMSiNP電解質(zhì)的鋰離子遷移數(shù)分別為0.31、0.40、0.48和0.39、0.47、0.56；40℃時PIL/IL(LiTFSI)、PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FNPs電解質(zhì)的電化學分解電位分別是5.7、6.0V，高于充電截止電壓4.2V，同溫下PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FNPs電解質(zhì)經(jīng)過3圈掃描后CV曲線幾乎重合，Li/GPE界面形成穩(wěn)定的SEI層；60℃時含用PIL/IL(LiTFSI)、PIL/IL(