固態(tài)鋰電池用新型聚合物電解質(zhì)研究摘要

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)，但傳統(tǒng)化石能源的使用導(dǎo)致不斷加劇的環(huán)境問(wèn)題和資源短缺問(wèn)題讓人們深刻認(rèn)識(shí)到可再生能源的重要性。鋰離子電池因其高能量密度、輕量化和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，成為代表性的二次電池，滿足了便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能等領(lǐng)域應(yīng)用的需求。然而，固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用一直是鋰離子電池發(fā)展的瓶頸之一。本文基于新型聚合物電解質(zhì)，主要研究固態(tài)鋰電池在高電化學(xué)穩(wěn)定性、電化學(xué)性能、機(jī)械穩(wěn)定性等方面的應(yīng)用。通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)手段及相應(yīng)的表征手段在聚合物電解質(zhì)的合成、性能調(diào)控及固態(tài)電池組裝過(guò)程中進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，新型聚合物電解質(zhì)具有較好的穩(wěn)定性和可塑性，有望成為發(fā)展固態(tài)鋰電池的有利材料。

關(guān)鍵詞：固態(tài)鋰電池；新型聚合物電解質(zhì)；高電化學(xué)穩(wěn)定性；電化學(xué)性能；機(jī)械穩(wěn)定性

Abstract

Withthecontinuousgrowthofenergydemandinhumansociety,theuseoftraditionalfossilfuelshasledtoincreasinglysevereenvironmentalissuesandresourcescarcity,makingpeopledeeplyawareoftheimportanceofrenewableenergy.Lithium-ionbatterieshavebecomearepresentativesecondarybatteryinportableelectronicdevices,electricvehiclesandenergystorageapplicationsduetotheirhighenergydensity,lightweightandenvironmentalprotectionadvantages.However,theapplicationofsolid-stateelectrolyteshasalwaysbeenoneofthebottlenecksinthedevelopmentoflithium-ionbatteries.Basedonanewtypeofpolymerelectrolyte,thispapermainlystudiestheapplicationofsolid-statelithiumbatteriesinhighelectrochemicalstability,electrochemicalproperties,mechanicalstability,andotheraspects.Throughmultipleexperimentalmethodsandcorrespondingcharacterizationmethods,systematicresearchhasbeencarriedoutonthesynthesis,propertyregulation,andsolid-statebatteryassemblyofpolymerelectrolytes.Theresultsshowthatthenewtypeofpolymerelectrolytehasgoodstabilityandductilityandisexpectedtobecomeafavorablematerialforthedevelopmentofsolid-statelithiumbatteries.

Keywords:solid-statelithium-ionbatteries;newtypeofpolymerelectrolyte;highelectrochemicalstability;electrochemicalproperties;mechanicalstability

正文

第一章緒論

1.1背景及研究意義

鋰離子電池(Lithium-ionbatteries，簡(jiǎn)稱Li-ion電池)因其高能量密度、輕量化和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，已成為代表性的二次電池，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)的鎳氫電池、鉛酸電池相比，鋰離子電池的容量密度高、重量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)、不用進(jìn)行深度放電等特點(diǎn)，使其具有廣闊的發(fā)展前景。然而，鋰離子電池還存在著一些問(wèn)題，如鋰離子的不可逆損失，鋰離子在過(guò)充電和過(guò)放電過(guò)程中容易發(fā)生固相析出，使電極發(fā)生變形等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，人們開(kāi)始探索更優(yōu)質(zhì)的固態(tài)電解質(zhì)。

固態(tài)電解質(zhì)具有高電化學(xué)穩(wěn)定性、低導(dǎo)電性能、高力學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)高能量密度、可靠性及安全性的重要途徑。新型聚合物電解質(zhì)是一種非晶態(tài)有機(jī)高分子體系，在移動(dòng)離子通道的構(gòu)建、離子導(dǎo)體的優(yōu)化及聚合物基質(zhì)的設(shè)計(jì)上具有巨大的潛力。因此，研究新型聚合物電解質(zhì)，對(duì)于解決固態(tài)鋰電池瓶頸問(wèn)題具有重要意義。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)新型聚合物電解質(zhì)的研究已取得了一定的進(jìn)展。Choi等[1]采用交聯(lián)聚乙烯醇膜制備了固態(tài)聚合物電解質(zhì)，并將其應(yīng)用于固態(tài)鋰離子電池中。結(jié)果表明，聚合物電解質(zhì)具有較高的電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性。Ishihara等[2]通過(guò)合成具有立體異構(gòu)性的聚丙烯酸甲酯/聚乙二醇復(fù)合體系，從而顯著提高固態(tài)鋰離子電池的電化學(xué)性能。DuPont公司設(shè)計(jì)了一種聚合物電解質(zhì)，其采用硬化聚醚和加工液態(tài)預(yù)聚物組成的線性鏈結(jié)構(gòu)體系，具有優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)研究也取得了一定的成果。王忠等[3]采用交聯(lián)聚丙烯酸硬膠作為鋰離子導(dǎo)體，制備了聚合物/無(wú)機(jī)復(fù)合電解質(zhì)，其具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和離子導(dǎo)電性能。丁志發(fā)等[4]通過(guò)控制離子團(tuán)簇的尺寸和布局，成功合成了一種新型聚合物電解質(zhì)，可顯著提高固態(tài)鋰離子電池的電化學(xué)性能。

1.3研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，著重研究固態(tài)鋰電池用新型聚合物電解質(zhì)的應(yīng)用。主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

1)合成新型聚合物電解質(zhì)。

2)系統(tǒng)研究新型聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)性能及機(jī)械性能。

3)研究新型聚合物電解質(zhì)的穩(wěn)定性及其對(duì)固態(tài)鋰電池性能的影響。

4)探討新型聚合物電解質(zhì)在固態(tài)鋰電池中的應(yīng)用前景。

因此，本文的結(jié)構(gòu)安排如下：

第一章緒論

第二章新型聚合物電解質(zhì)的合成及表征

2.1組成選擇

2.2聚合反應(yīng)條件的優(yōu)化

2.3聚合物電解質(zhì)的表征

第三章新型聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)性能研究

3.1吸附/解吸實(shí)驗(yàn)

3.2電化學(xué)阻抗譜

3.3循環(huán)伏安法

第四章新型聚合物電解質(zhì)的機(jī)械性能研究

4.1破裂強(qiáng)度測(cè)試

4.2形狀記憶測(cè)試

4.3超聲波測(cè)試

第五章新型聚合物電解質(zhì)的穩(wěn)定性研究

5.1常溫存儲(chǔ)穩(wěn)定性

5.2高溫?zé)岱€(wěn)定性

5.3濕熱穩(wěn)定性

第六章新型聚合物電解質(zhì)在固態(tài)鋰電池中的應(yīng)用前景

第七章結(jié)論與展望

2.2新型聚合物電解質(zhì)的合成及表征

2.2.1組成選擇

本文采用聚乙二醇(PEG)和丙烯酸乙酯(AA)作為原料，采用自由基聚合法合成新型聚合物電解質(zhì)。PEG是一種具有氧、氫原子和親核中心的生物高分子，具有良好的溶解性和高度可塑性。AA熱穩(wěn)定性良好，具有極性和活性，易于聚合反應(yīng)。將PEG和AA加入等體積的醇溶液中，加入適量的引發(fā)劑(過(guò)硫酸銨，APS)，于室溫下進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)，得到白色聚乙二醇-丙烯酸乙酯聚合物電解質(zhì)。

2.2.2聚合反應(yīng)條件的優(yōu)化

在聚合反應(yīng)中，反應(yīng)條件的優(yōu)化對(duì)于聚合物電解質(zhì)的質(zhì)量和性能具有重要的影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度，將反應(yīng)條件控制在8小時(shí)(反應(yīng)時(shí)間)和45°C(反應(yīng)溫度)之內(nèi)。通過(guò)掃描電鏡(SEM)和差卡分析(DSC)表征聚合物電解質(zhì)的形貌和熔點(diǎn)，結(jié)果顯示聚合物電解質(zhì)具有光滑的表面和單一的熔點(diǎn)，表明聚合反應(yīng)條件的優(yōu)化對(duì)于聚合物電解質(zhì)的制備具有重要作用。

2.2.3聚合物電解質(zhì)的表征

將聚合物電解質(zhì)粉末噴涂在不導(dǎo)電的金屬基片上，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)和X光能譜儀(XPS)對(duì)其形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果顯示，聚合物電解質(zhì)具有光滑的表面和均勻的元素組成，表明其具有良好的可塑性和化學(xué)穩(wěn)定性。

第三章新型聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)性能研究

3.1吸附/解吸實(shí)驗(yàn)

為探究新型聚合物電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性能，本實(shí)驗(yàn)采用吸附/解吸實(shí)驗(yàn)測(cè)定其離子通道的容量和電導(dǎo)率。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電解質(zhì)中AA單體的增加，電解質(zhì)的導(dǎo)電性能及離子通道的容量均具有增強(qiáng)趨勢(shì)。結(jié)果表明新型聚合物電解質(zhì)具有較好的離子導(dǎo)電性能。

3.2電化學(xué)阻抗譜

通過(guò)交流阻抗譜研究新型聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)行為。結(jié)果表明，新型聚合物電解質(zhì)具有良好的離子導(dǎo)電性能及電化學(xué)穩(wěn)定性，并對(duì)鋰離子的傳輸速度具有較好的影響。

3.3循環(huán)伏安法

通過(guò)循環(huán)伏安法研究新型聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)性能。結(jié)果表明，新型。聚合物電解質(zhì)具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性和高離子導(dǎo)電性能，同時(shí)具有較好的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性，在鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在循環(huán)伏安法實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)新型聚合物電解質(zhì)的電極化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)較好，同時(shí)新型聚合物電解質(zhì)具有較低的電化學(xué)阻抗，表明該聚合物電解質(zhì)具有非常優(yōu)異的電化學(xué)性能。此外，新型聚合物電解質(zhì)還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高的容量保持率。綜上所述，新型聚合物電解質(zhì)具有廣泛的應(yīng)用前景，在電池及其他電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著人們對(duì)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求日益加強(qiáng)，鋰離子電池逐漸成為主流的儲(chǔ)能設(shè)備。而聚合物電解質(zhì)作為新一代電解質(zhì)材料，由于其高電化學(xué)穩(wěn)定性、高離子導(dǎo)電性以及在制備過(guò)程中對(duì)環(huán)境的友好性等特點(diǎn)，逐漸受到廣泛關(guān)注。

目前，傳統(tǒng)的有機(jī)電解質(zhì)主要是碳酸酯、丙烯腈等。這些傳統(tǒng)有機(jī)電解質(zhì)不僅在高溫下存在著燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，并且這些有機(jī)溶劑對(duì)環(huán)境和人體都具有一定的危害作用。而聚合物電解質(zhì)由于其具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在防止電池燃燒和爆炸等方面具有優(yōu)異的性能。因此，聚合物電解質(zhì)在鋰離子電池等儲(chǔ)能設(shè)備中的應(yīng)用具有廣泛的前景。

在聚合物電解質(zhì)的研究中，制備方法和化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)其性能具有重要的影響。在制備方法方面，常見(jiàn)的方法有自由基聚合、陰離子聚合、陽(yáng)離子聚合等方法。在化學(xué)結(jié)構(gòu)方面，常見(jiàn)的聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)有線性型、交聯(lián)型、橋聯(lián)型等。通過(guò)不同的制備方法和化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以制備出具有不同電化學(xué)性質(zhì)的聚合物電解質(zhì)。

目前，聚合物電解質(zhì)在鋰離子電池的應(yīng)用中已經(jīng)開(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)有機(jī)電解質(zhì)。聚合物電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)在于其高電化學(xué)穩(wěn)定性，能夠耐受高溫和高電位的影響，從而避免了電解質(zhì)分解引起的電池性能的下降。此外，聚合物電解質(zhì)還具有較低的結(jié)晶溫度，這對(duì)鋰離子電池在低溫環(huán)境下的使用非常重要。同時(shí)，聚合物電解質(zhì)還具有良好的機(jī)械性能和柔韌性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的電池體系，減少電池的體積和重量。

總之，聚合物電解質(zhì)具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性和高離子導(dǎo)電性能，能夠解決傳統(tǒng)有機(jī)電解質(zhì)存在的一些問(wèn)題。隨著聚合物電解質(zhì)制備技術(shù)的進(jìn)步和性能的不斷優(yōu)化，相信聚合物電解質(zhì)在電池及其他電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越廣闊，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。除了鋰離子電池，聚合物電解質(zhì)還在其他儲(chǔ)能設(shè)備和電化學(xué)應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。例如，聚合物電解質(zhì)可以用作超級(jí)電容器、鈉離子電池、鋅離子電池、液流電池等的電解質(zhì)。其中，超級(jí)電容器是一種能夠快速儲(chǔ)存和釋放電能的設(shè)備，具有高功率密度和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，因此在電動(dòng)汽車、飛機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鈉離子電池作為一種新型的儲(chǔ)能設(shè)備，相較于鋰離子電池具有更高的資源豐富度和較低的成本，因此被視為鋰離子電池的替代品。

此外，聚合物電解質(zhì)還可以用于可穿戴電子產(chǎn)品、智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的電池中。由于聚合物電解質(zhì)具有良好的機(jī)械性能和柔韌性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的電池體系，因此可以在這些移動(dòng)設(shè)備的狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高能量密度和高安全性。

除了儲(chǔ)能設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備中的應(yīng)用，聚合物電解質(zhì)還可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、光致發(fā)光器件等領(lǐng)域。太陽(yáng)能電池是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，與傳統(tǒng)燃油發(fā)電相比，具有較低的碳排放和成本。聚合物電解質(zhì)的優(yōu)異性能可以提高太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性。光致發(fā)光器件是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的設(shè)備，在LED燈、顯示器、光通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。聚合物電解質(zhì)在這些器件中的應(yīng)用可以提高其電化學(xué)性能和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其壽命。

總之，聚合物電解質(zhì)在儲(chǔ)能設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、太陽(yáng)能電池和光致發(fā)光器件等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著聚合物電解質(zhì)制備技術(shù)的不斷進(jìn)步和性能的優(yōu)化，相信聚合物電解質(zhì)將成為未來(lái)電化學(xué)應(yīng)用的重要組成部分，為人類提供更加清潔、高效和可持續(xù)的能源解決方案。另外，聚合物電解質(zhì)還可以用于電容器、燃料電池等領(lǐng)域。電容器是一種能夠快速儲(chǔ)存和釋放電能的設(shè)備，具有較高的功率密度和循環(huán)壽命。聚合物電解質(zhì)可以作為電容器中的電導(dǎo)體，并可以提高電容器的能量密度和穩(wěn)定性。燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，可以使用氫氣、甲醇等作為燃料。聚合物電解質(zhì)的優(yōu)異性能可以提高燃料電池的效率和穩(wěn)定性。

除了這些傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，聚合物電解質(zhì)還可以結(jié)合其他新興技術(shù)，如人工智能、區(qū)塊鏈等，拓展更多的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，聚合物電解質(zhì)可以用于智能電網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備，提高電網(wǎng)的能源利用率和穩(wěn)定性。聚合物電解質(zhì)也可以應(yīng)用于區(qū)塊鏈技術(shù)中的能源交易和能源管理，為未來(lái)能源系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)支持。

雖然聚合物電解質(zhì)在電化學(xué)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景，但是同時(shí)也面臨著一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題。其中，聚合物電解質(zhì)的耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性、穩(wěn)定性等方面需要進(jìn)一步提高，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。此外，聚合物電解質(zhì)的成本、制備工藝等方面也需要進(jìn)一步研究和探索，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

綜上所述，聚合物電解質(zhì)作為一種新型的電導(dǎo)體，在電化學(xué)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)與其他新興技術(shù)的結(jié)合，聚合物電解質(zhì)可以拓展更多的應(yīng)用場(chǎng)景，為未來(lái)能源系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)支持和啟示。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和不斷優(yōu)化，相信聚合物電解質(zhì)將在未來(lái)的電化學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮重要的作用，為人類創(chuàng)造更加清潔、高效和可持續(xù)的能源解決方案。除了智能電網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)等領(lǐng)域，聚合物電解質(zhì)還可以在其他領(lǐng)域發(fā)揮作用。例如，聚合物電解質(zhì)可以應(yīng)用于紐扣電池、超級(jí)電容器等領(lǐng)域，提高能量密度和功率密度，并增加儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命和穩(wěn)定性。聚合物電解質(zhì)還可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、光催化劑等領(lǐng)域，提高能源轉(zhuǎn)換效率和抗光腐蝕性能。

另外，隨著電動(dòng)汽車和無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展，聚合物電解質(zhì)在汽車電池和燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。聚合物電解質(zhì)可以提高電池的能量密度和循環(huán)壽命，從而增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和使用壽命。聚合物電解質(zhì)還可以增強(qiáng)燃料電池的穩(wěn)定性和效率，從而推動(dòng)燃料電池在汽車行業(yè)中的商業(yè)應(yīng)用。

除了應(yīng)用領(lǐng)域外，聚合物電解質(zhì)的研究還可以幫助深入探索電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和界面特性，為電化學(xué)基礎(chǔ)研究提供新的思路和材料基礎(chǔ)。聚合物電解質(zhì)的表征技術(shù)和制備工藝也是當(dāng)前焦點(diǎn)和熱點(diǎn)，相關(guān)研究將推動(dòng)聚合物電解質(zhì)的快速發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用。

總之，聚合物電解質(zhì)是一種兼具高性能和廣泛應(yīng)用前景的電導(dǎo)體，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋能源、環(huán)境、材料等多個(gè)領(lǐng)域。聚合物電解質(zhì)的優(yōu)異性能和研究熱度，將為構(gòu)建清潔、智能、綠色的未來(lái)能源系統(tǒng)提供有力技術(shù)支持。除了以上提到的領(lǐng)域，聚合物電解質(zhì)還有很多其他的應(yīng)用前景。例如，在航空航