嵌段聚合物用于鋰硫電池電極粘結(jié)劑及電解質(zhì)的研究.pdf

1、傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度較低。以過渡金屬氧化物為正極材料的電池能量密度理論最大值也僅為350～400 Wh·kg-1。此外，過渡金屬氧化物正極材料價(jià)格昂貴，是限制鋰離子電池在電動(dòng)汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要原因之一。以硫?yàn)檎龢O材料的鋰硫電池理論能量密度最高可達(dá)2600 Wh·kg-1，同時(shí)硫正極材料具有資源豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，因此，鋰硫電池極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。然而，鋰硫電池存在活性物質(zhì)導(dǎo)電性差、中間產(chǎn)物多硫化物易溶于電解液引起

2、硫穿梭及放電過程中硫電極體積膨脹等問題，導(dǎo)致鋰硫電池活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命短，嚴(yán)重限制了鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用。此外，鋰硫電池中使用的醚類電解液存在易燃、漏液等安全隱患。本論文從硫電極粘結(jié)劑和電解質(zhì)方面優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，改善鋰硫電池性能，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　為了解決硫電極充放電過程中體積變化、硫穿梭的問題，通過可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)乳液聚合首次設(shè)計(jì)合成了聚苯乙烯-b-聚丙烯酸正丁酯-b-聚苯乙烯(SnBAS)三嵌

3、段共聚物作為硫電極粘結(jié)劑。通過調(diào)配粘結(jié)劑中組分苯乙烯/丙烯酸正丁酯(St/nBA)質(zhì)量比率獲得兼具高力學(xué)強(qiáng)度及高電解液溶脹率的電極粘結(jié)劑。高力學(xué)強(qiáng)度可以在電極體積發(fā)生變化時(shí)保持電極結(jié)構(gòu)的完整性;高電解液溶脹率可以提高鋰離子的遷移速率，改善電池倍率性能，提高活性物質(zhì)利用率。此外，粘結(jié)劑中的羧基、酯基、醚氧基等極性官能團(tuán)可與多硫化物相互作用，降低硫穿梭，提高電池的放電比容量及庫倫效率。將該粘結(jié)劑用于制備硫電極，所得硫正極分別在0.1C、0.

4、2C、0.5C、1C、2C、0.1C倍率充放電后，再次以0.2C倍率充放電所得放電比容量為781 mAh·g-1，與首次充放電時(shí)的放電比容量1061mAh·g-1相比，容量保留率為73.6％。電極繼續(xù)100次循環(huán)后放電比容量為740 mAh·g-1，容量保留率為94.7％，每次充放電的平均容量衰退率為0.05％。
　　為緩解硫穿梭，從根本上消除液態(tài)電解液易燃、電池漏液等安全隱患，本文通過RAFT溶液聚合設(shè)計(jì)合成了聚苯乙烯-b-聚（

5、聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯）-b-聚苯乙烯(PS-b-PmPEGA-b-PS)嵌段共聚物，摻雜高氯酸鋰鹽(LiClO4)作為聚合物電解質(zhì)(SPEs)。嵌段結(jié)構(gòu)的聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)中，苯乙烯相提供機(jī)械強(qiáng)度，利于制備薄膜，隔離正負(fù)極。側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯相中EO與鋰離子的絡(luò)合-解離作用，通過鏈段的局部運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋰離子的遷移運(yùn)動(dòng)。EO鏈段放在側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增大了EO鏈段的運(yùn)動(dòng)能力，并在室溫即可避免結(jié)晶的發(fā)生。所得全固態(tài)電解質(zhì)在25℃時(shí)測得