多功能聚合物电解质的制备及在锂硫电池中的性能研究
锂离子电池是目前世界上应用最为广泛的二次电池，但锂电池因为本身能量密度(120-180Wh/kg)的限制使其发展遇到瓶颈。锂硫电池凭借着高能量密度和高比容量走入了大家的视野，其中正极硫的理论能量密度可以达到2600Wh/kg，且含量丰富环境友好，该电池的发展成为了热点。但锂硫电池的“穿梭效应”，以及硫和有机电解液易燃造成电池的安全问题都限制着其商用。本文以耐高温聚丙烯腈(PAN)和聚偏氟乙烯-三氯氟乙烯(PVDF-CTFE)两种聚合物为基体，针对聚合物电解质易燃、多硫化物穿梭和锂枝晶等问题，制备出多种性能优良的功能型电解质。 首先，通过静电纺丝法用不同质量分数的聚磷酸铵(APP)对PAN进行改性，制备得到APP/PAN(APAN)电解质。APAN电解质阻燃性能良好，对多硫化物穿梭有一定的抑制作用，APP含量为20wt％时，性能表现最佳。APAN电解质的室温离子电导率均达到1×10-3S/cm以上，且电化学窗口相对较高。其次为了进一步提高APAN电解质的性能，添加碳纳米管(CNTs)功能层，增加物理捕获位点，进一步抑制多硫化物的穿梭，使电池具有优异的循环稳定性。在0.5C电流密度下，CNTs-20％APAN电解质循环200圈后容量仍保持为初始比容量的50％以上，同时CNTs构建的碳层导电网络，激发锂硫电池的容量释放，使其具备更高的初始比容量。 其次，固态电解质是未来发展的趋势，但较低的室温电导率抑制着其工业化应用。目前很少有工作去定量或定性分析溶剂的残留量对于电池的电化学性能影响。在锂硫电池中，长链多硫化物溶解在有机电解液中，使得“穿梭”更加明显。本文制备的PVDF-CTFE(PCF)电解质通过室温挥发电解液，定量研究电解质中电解液的含量对锂硫电池的性能影响，并发现当挥发时间在20min内，随着挥发时间增加电解液含量逐渐减少，电池的循环稳定性增强，20min挥发的PCF电解质应用在锂硫电池中，在0.2C电流密度下室温循环100圈后，容量保持率为77％。 最后，为了维护锂金属负极的稳定性，防止生成的锂枝晶戳破隔膜，引发电池安全问题。本文通过在PCF电解质上添加氟化锂(LiF)，制备A/B层结构的PCF-LiF电解质，A层由纯PCF电解质构成起结构支撑作用，功能层B由LiF改性PCF电解质构成作用于锂金属负极，保护SEI膜促进锂金属的均匀沉积。将该电解质应用到锂硫电池中，发现随着LiF含量的增加，电池的循环稳定性和倍率性能越好。该结构电解质离子传输能力强，电化学窗口宽。
锂硫电池;聚合物电解质;制备工艺;离子电导率;倍率性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
仲伟虹
2020
中文
TM912;TM242
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）