环氧树脂/COFs复合电解质的制备及性能研究
具有高理论容量（3860mAh/g）、低氧化还原电位（-3.04V），低密度（0.53g/cm3）等优点的锂金属已经广泛应用于二次电池负极材料。但锂金属电池面临无法消除的枝晶生长、液态电解质的泄露、易燃等安全隐患。凝胶聚合物电解质可以解决液态电解质易挥发、泄露的缺点，还具有宽的工作电压范围、高的离子电导率、良好的界面兼容性和灵活可设计性等优点，被认为是具有发展前景的锂金属电池电解质材料。然而，凝胶聚合物电解质因其机械强度通常较低，不能完全抑制锂枝晶的生长，所以，需要选择具有良好机械性能的聚合物基体，并通过添加无机填料对其进一步增强制备复合凝胶聚合物电解质，从而有效抑制锂枝晶的生长。本课题选用机械性能优异的双酚A型环氧树脂（DGEBA）作为交联网络结构的聚合物基体，选用具有较高的化学和热稳定性的共价有机骨架（COFs）材料作为填料，开展环氧树脂/COFs复合电解质的制备与性能研究。 首先，为了节约能量、提高反应效率，分别采取不同于溶剂热的方法（机械化学合成法、机械研磨合成法和声化学合成法）研究了COFs材料TpPa-1和TpPa-2的制备。结果表明，机械化学合成法制备的TpPa-1材料呈现堆叠片层微观形貌，孔径为2.25nm，比表面积为765.73m2/g，平均粒径较小（1120.28nm），处理后平均粒径仅为231.60nm；机械研磨合成法得到团聚结构，比表面积较小，为158.84m2/g，孔径为3.40nm，粒径较大（1277.21nm）。声化学合成法制备的TpPa-2材料呈现香雪球状微观形貌，具有较大比表面积（100.90m2/g），孔径为6.28nm；机械研磨合成法得到的TpPa-2具有较低比表面积（34.83m2/g），孔径为8.52nm，两种方法得到的TpPa-2粒径均较大（1528.19nm和1578.39nm）。总之，通过机械化学合成法制备的TpPa-1粒径最小，可以作为电解质填料，而且超高的比表面积和良好的孔结构为后续作为锂离子传输通道提供了可能。 其次，本文选择其中一种粒径最小、比表面积最大的TpPa-1作为填料进行了Epoxy@xTpPa-1复合聚合物电解质的制备，然后对它进行了结构和性能分析。结果表明，随TpPa-1含量增加，Epoxy@xTpPa-1复合聚合物电解质的表面形貌从最开始的孔结构变为小球结构加被覆盖孔结构（孔结构中嵌入了小球）；所制备的复合聚合物电解质均具有出色的机械性能和良好的耐热稳定性，在200℃左右开始出现失重现象。 最后，将不同含量的TpPa-1复合聚合物电解质膜在液态电解液中充分活化形成凝胶电解质，测试TpPa-1含量变化对电解质性能的影响。当TpPa-1添加量为11%（x=11%）时，复合电解质的综合性能最优。Epoxy@11%TpPa-1复合电解质的吸液率为357%，离子电导率为2.55×10-3Scm-1，锂离子迁移数为0.87，0.5C倍率下循环首次充放电比容量达135.5mAh/g，既使在2mA/cm2的电流密度下，对锂枝晶仍有良好的抑制作用。
锂金属电池;共价有机骨架材料;复合聚合物电解质;环氧树脂;锂枝晶
北京化工大学
硕士
环境科学与工程
于运花;兰金叻
2022
中文
TM912
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）