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(yīng)用.pdf

1、二次鋰離子電池作為一種綠色的儲(chǔ)能和供能設(shè)備憑借其強(qiáng)勢(shì)的優(yōu)勢(shì)廣泛地應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電驅(qū)動(dòng)交通運(yùn)輸工具中。安全問題是儲(chǔ)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(qiáng)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(dǎo)率和鋰離子遷移數(shù)，使其成為當(dāng)前PE研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。向PE中添加填料后

2、，其成為復(fù)合聚合物電解質(zhì)（CPE）。優(yōu)異的填料可使CPE的電化學(xué)、物理技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于PE，因而設(shè)計(jì)一種新穎填料的想法應(yīng)運(yùn)而生。本研究設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)其化學(xué)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(cè)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(jìn)IL的解離和離子的運(yùn)動(dòng)繼而增強(qiáng)離子液體的導(dǎo)電性；Through-plane與In-plane方向電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果顯示填料對(duì)電解質(zhì)的導(dǎo)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(shí)電導(dǎo)率平

5、均提高~400%、~800%，相應(yīng)的活化能為43.2kJ mol-1、40.4kJ mol-1；無孔/介孔填料對(duì)電解質(zhì)的強(qiáng)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(duì)其進(jìn)行了電化學(xué)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(cè)試分析。測(cè)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(shí)際應(yīng)用需求；PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FNPs電解質(zhì)電導(dǎo)率提高的程度低于PIL/IL/PIL-FNPs CPEs，但填料的貢獻(xiàn)趨勢(shì)一致；40℃和60℃時(shí)，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(shí)PIL/IL(LiTFSI)、PIL/IL(LiTFSI)/PIL-FNPs電解質(zhì)的電化學(xué)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(shí)含用PIL/IL(LiTFSI)、PIL/IL(