凝胶聚合物电解质用于锂离子电池的研究进展

电解质在电化学储能中起着至关重要的作用。在锂离子电池(LIB)中,液体电解质(LE)在几十年的发展中表现出了优异的性能,如高的离子电导率(10-3 S/cm)和与电极良好的接触。然而,LE中的安全问题以及由枝晶生长引起的性能退化严重阻碍了LIB的实际应用。因此,聚合物电解质(PE)有望取代LE。固体聚合物电解质(SPE)虽然有很好的安全性和机械性能,但其受温度限制,离子电导率较低,且与电极接触较差,电池循环性较差。凝胶聚合物电解质(GPE)结合两者的优点,被认为是现有有机液体电解质的有效替代品,它可以用来制造更安全的锂电池。对现有聚合物基体的交联、共聚和混合改性——能够提高电解质的电化学性能的方法进行了综述。同时也对GPE在LIB中的最新研究进展进行了综述,并介绍了新型生物基凝胶电解质基体。最后,展望了制造性能优异的基于GPEs的LIB电池面临的挑战和发展方向。

阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其性能研究

本工作采用原位聚合工艺制备阻燃凝胶聚合物电解质,将1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(HFE)引入电解质体系中,在提高电解质的阻燃性能的同时,还可以通过调节多硫化物的溶解程度来抑制锂硫电池的“穿梭效应”。对比未添加HFE(HFE-0)和添加不同含量HFE的电解质的阻燃性能和电化学性能发现,DOL、DME和HFE体积比为1∶0.5∶0.5时(HFE-0.5)凝胶聚合物电解质具有最优的阻燃性能和电化学性能。通过扫描电子显微镜(SEM)和电化学技术等表征测试手段,对比分析了使用HFE-0和HFE-0.5电解质的锂硫电池和磷酸铁锂电池的电化学性能及其相应的锂负极在循环后的表面形貌,结果表明,使用HFE-0.5电解质的锂硫电池在0.1 C的倍率下循环100圈后仍可保持706 mAh/g的放电比容量,容量保持率达到84.59%,循环性能明显优于未添加HFE的电解质。此外,使用HFE-0.5电解质的磷酸铁锂电池在0.2 C的倍率下循环110圈后的放电比容量仍可达到117.2 mAh/g,说明所制备的凝胶聚合物电解质也可适用于磷酸铁锂电池体系。本文设计的阻燃凝胶聚合物电解质有助于推动锂硫电池的发展和应用。

聚乙烯醇基凝胶聚合物电解质的制备及在锌离子混合电容器中的应用

锌离子混合电容器(ZIHC)兼有电池高能量密度和电容器高功率密度的特点,是下一代能源存储设备的有力竞争者,但电池型阴极-电容型阳极ZIHC的研究中使用的多为电解质溶液,容易泄漏而导致安全风险。针对这一问题,文中以纤维素、羟乙基纤维素和聚乙烯醇为原料,通过冷冻-解冻和电解液吸收的方法,快速制备了具有蜂巢状的三维网络形貌的凝胶聚合物电解质(GPE)。优化的GPE不仅具有良好力学性能(拉伸强度0.24 MPa、断裂伸长率289%),而且表现出较高的离子电导率(58.5 mS/cm)。使用GPE、二氧化锰阴极和活性炭阳极组成的ZIHC,其比电容和能量密度分别为31.5 F/g和15.0 Wh/kg,2 A/g充放电循环1.5×104次后比电容保持率约80%,展示出GPE在ZIHC领域中潜在的应用价值。原料环保和方便快捷的制备方法为能量存储和柔性可穿戴电子领域应用的GPE研究提供了新的思路。

阻燃型凝胶聚合物电解质在碱金属电池中的研究进展

阻燃型凝胶聚合物电解质不仅具有良好的枝晶抑制作用,还具有不易泄漏、不可燃等高安全特性,可有效解决热失控或机械冲击等造成的安全隐患,在碱金属电池中具有重要应用前景。该文综述了阻燃型凝胶聚合物电解质在碱金属电池(涉及锂、钠、铝、锌等)中的研究进展。该文首先讨论了凝胶聚合物电解质的阻燃机理;其次,总结了阻燃型凝胶聚合物电解质的常用制备方法;再次,论述了不同类别阻燃型凝胶聚合物电解质在不同碱金属电池体系中的应用状况;最后,提出了目前存在的挑战和未来可能的发展方向。

PMMA基凝胶聚合物电解质在石墨/LiNi_(0.8)Mn_(0.1)Co_(0.1)O_(2)电池中的研究

凝胶聚合物电解质(GPE)是当前最具商业化应用前景之一的准固态电解质,可以缓解甚至解决锂离子电池存在的漏液、挥发、燃烧等潜在安全问题。本文通过高温原位固化技术制备了一种以甲基丙烯酸甲酯为单体、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂、双(氟磺酰)亚胺锂为导电盐、碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯混合溶剂为增塑剂的GPE。通过热重分析对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基GPE的热力学性质进行了表征,采用计时安培法和电子扫描显微镜研究了PMMA基GPE对Al集流体的稳定性。研究结果表明,PMMA基GPE在室温拥有较高的电导率,达到6.61 mS/cm,同时可以将碳酸酯电解液的挥发温度由100.3℃提高至138.1℃。PMMA基GPE在高电位下对Al箔显示出良好的稳定性,4.3 V vs.Li/Li+以下不会发生铝箔腐蚀,而且在商用石墨/LiNi_(0.8)Mn_(0.1)Co_(0.1)O_(2)软包电池中展现出良好的循环稳定性和容量保持能力,循环1000次后容量保持率为93.4%。

锂硫电池用凝胶聚合物电解质的研究进展

锂硫电池因其高达2600 Wh/kg的理论能量密度、低廉的成本和对环境相对更高的友好性,成为最有望替代传统锂离子电池的候选者之一。凝胶聚合物电解质在锂硫电池中的应用,解决了全固态聚合物电解质带来的离子电导率差和界面阻抗大等问题,同时能够抑制传统液态锂硫电池中多硫化物的“穿梭效应”,提高电池的安全性,在电解质研究中日益受到青睐。从结构和性能方面总结了近年来凝胶聚合物电解质在锂硫电池中的研究成果,最后,展望了制备高性能准固态锂硫电池面临的挑战和发展方向。

原位聚合高电压凝胶聚合物电解质及其性能研究

以碳酸亚乙烯酯(VC)为聚合单体,采用丁二腈(SN)增塑剂提高聚合物电解质耐高电压性能,通过加入引发剂偶氮二异丁腈(AIBN),利用原位聚合方法制备了可耐受4.9 V高电压的凝胶聚合物电解质(GPE),并将其应用于高电压镍锰酸锂/锂电池。通过调控SN与VC的比例,研究了SN含量对电解质性能的影响。研究结果表明,耐高电压SN增塑剂的引入显著提高了电解质的电化学窗口,其中,含10%SN的GPE的室温离子电导率达3.54×10^(-4)S/cm,电化学窗口0~4.9 V,同时,所合成的凝胶电解质对金属锂负极具有良好的稳定性,合成的聚合物电解质能够兼顾正、负极侧的稳定性,提高电池的循环性能,镍锰酸锂/GPE/锂电池在1 C下循环500次后,容量保持率为94.3%。本工作展示了丁二腈基耐高电压凝胶聚合物电解质在高电压锂离子电池中良好的应用前景。

阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其在高安全锂离子电池中的应用

随着锂离子电池能量密度的不断提高,火灾事故愈发频繁,提高锂离子电池安全性能越来越受到重视。基于乙烯基膦酸二乙酯、季戊四醇四丙烯酸酯和商业电解液合成了阻燃凝胶聚合物电解质(DEVP-GPE),并对其组装的锂离子电池开展了电化学性能和火安全性能的研究。循环测试表明,石墨//DEVP-GPE//Li半电池在第1000圈时的容量维持率高达88.7%,明显高于商业电解液(25.8%),磷酸铁锂//DEVP-GPE//石墨全电池在0.5 C倍率下循环100次的容量维持率高达80.2%,平均库仑效率为99.73%,具有良好的循环稳定性。火焰燃烧测试结果表明,含磷DEVP-GPE的自熄时间仅为1.5 s。1 Ah容量级别袋式全电池的过热测试结果表明,阻燃型DEVP-GPE不起火只冒烟,而且不漏液。以上结果均证明制备的DEVP-GPE具有良好的火安全性能。通过对电解质热解过程的分析,含磷DEVP-GPE能够很好地限制内部电解液的挥发和热解,并且在燃烧时释放出磷自由基以中断燃烧链式反应。

木材基凝胶聚合物电解质的制备及其性能研究

本研究以轻木为原料,经碱处理、漂白、乙酰化、热压和浸渍电解液制备出一种新型木材基凝胶聚合物电解质(GPE)。结果表明,热压改性木片的结晶度为54.7%,机械强度为2.16 MPa,热稳定性高达300℃。经电解液润胀后,热压改性木片的孔隙率和吸液率分别为74.6%和719.0%,与热压前性能一致。同时,木材基GPE展现出优异的离子电导率(3.68 mS/cm)和电化学稳定窗口(5.0 V)。组装的Li/GPE/LiFePO4锂离子电池在0.5 C下循环100圈后的容量由150.9 mAh/g仅衰减至146.1 mAh/g。但由于木材基GPE的孔径大,组装的锂离子电池的库伦效率仅为91%。

锂电池用纤维素基凝胶聚合物电解质的研究进展

电解质作为锂电池的主要部件之一,充放电过程中对锂离子传输起着重要的作用。然而传统液态电解质漏液以及充放电过程中锂枝晶生长等问题造成了安全事故频发。相比于液态电解质,凝胶聚合物电解质(GPE)将隔膜与电解质一体化,从整体上提高了安全性能和电化学性能。纤维素因其优异的热稳定性、良好的机械性能以及强电解质亲和力等优势,近年来在GPE研究领域得到了广泛关注。本文综述了微米纤维素、纳米纤维素、再生纤维素以及纤维素衍生物目前在GPE领域的研究进展,分析了不同纤维素基质或功能填料对复合GPE的性能影响,最后提出纤维素基GPE用于高性能锂电池所面临的挑战并对其研究前景进行展望。

深共晶凝胶聚合物电解质在锂金属电池中的研究进展

锂金属负极因具有高理论容量和低电化学势而备受青睐。电解质作为锂金属电池(Lithium Metal Battery,LMB)不可或缺的组成部分,其性能直接影响锂金属电池的使用寿命。近年来,深共晶溶剂(Deep Eutectic Solvent,DES)凭借其低成本、高离子电导率以及热稳定性等优势在锂金属电池领域引起广泛关注。然而,其液态属性使其存在电解质泄漏的安全风险,深共晶凝胶聚合物电解质的出现解决了这一问题。本文概述了深共晶溶剂的基本概念和性质,综述了深共晶凝胶聚合物电解质,特别是腈类、酰胺类深共晶凝胶聚合物电解质在锂金属电池中的研究进展,最后展望了深共晶凝胶聚合物电解质的发展前景,以期为应用于锂金属电池的下一代深共晶凝胶聚合物电解质的设计和研究提供参考。

凝胶聚合物电解质在锂离子电池中的应用研究

从聚合物基体材料的特点及改性方式出发,介绍了近年来凝胶聚合物电解质(GPEs)的研究成果,并主要从聚合物基体改性和无机粒子掺杂改性两个方面,介绍了成功开发GPEs的实例。

用于锂离子电池的凝胶聚合物电解质的制备与性能

以丙烯腈（AN）、丙烯酸甲酯（MA）和衣康酸锂（IALi）为自由基共聚反应的主要单体,采用溶液聚合方法,合成轻度交联的P（AN-MA-IALi）聚合物电解质膜.通过FTIR,DSC和SEM等测试方法对共聚物的结构进行了表征,利用交流阻抗等电化学方法对该膜的导电性能进行了研究.实验结果表明,所制备的交联聚合物的室温电导率达到10^-5～10^-4S/cm,当IALi的质量分数为3%时,所制备的聚合物电解质膜的电导率最大可达到1.89×10^-4S/cm.

锂离子电池用凝胶聚合物电解质研究进展

凝胶聚合物电解质既具有固态聚合物电解质良好的力学加工性能和安全性能,又具有传统液态电解质较高的室温离子电导率。但凝胶聚合物电解质由于室温离子电导率低、力学强度较差的缺点限制了其在锂离子电池上的应用。结合目前研究的最新进展,本文针对几种常用凝胶聚合物电解质体系聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯和聚乙烯醇缩醛进行了综述,对其制备方法以及通过聚合物调控、加入无机填料和复合离子液体进行改性处理做了较全面的介绍,并探讨了凝胶聚合物电解质的应用前景。

Li/S电池凝胶聚合物电解质的研究

通过溶液浇注和电解液吸收的方法,制备了PVDF-PEO类凝胶聚合物电解质膜,该膜有良好的透明性和柔韧性。PVDF-PEO凝胶聚合物电解质[n(PEO):n(PVDF)=0.5]在室温下的电导率最高可达7.03 mS/cm,吸液率达76.1%,电化学稳定窗口达4.1 V。将该电解质[n(PEO)∶n(PVDF)]应用在Li/S电池上,经过15次充放电循环后,电池的放电比容量仍在400 mAh/g以上。

一种新型物理交联型凝胶聚合物电解质的制备与表征

以甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(MPEGM)和十六烷基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(HPEGM)为单体,三乙二醇二甲醚(TEGDME)为增塑剂,与锂盐(高氯酸锂,LiClO4)和光引发剂(安息香二甲醚,DMPA)复合制成光敏体系,经紫外(UV)固化得到物理交联型凝胶聚合物电解质(GPE)薄膜.用红外(IR)光谱、差热分析(DSC)、拉伸测试和交流阻抗(AC)等方法对聚合物基体和电解质的性能进行了研究.结果表明:当共聚物P(MPEGM-co-HPEGM)中HPEGM含量为50%(w)时,十六烷基链段(C16)在聚氧化乙烯(PEO)链段静电斥力的作用下发生聚集,自组装形成了物理交联,提高了共聚物的空间稳定性;温度和电解质中各组分的含量对电导率均有较大的影响,综合性能较好的电解质在30°C时电导率可达8.7×10-4S·cm-1;采用循环伏安法测得该电解质的电化学窗口为0-4.5V(vsLi/Li+),可以满足锂离子电池的应用要求;组装成的LiFePO4/GPE/Li电池,在30°C时以0.1C和0.2C倍率进行充放电测试,首次放电容量分别为154.7和148.0mAh·g-1.

改性凝胶聚合物电解质的研究进展

综述了近年来聚合物锂离子电池改性凝胶聚合物电解质的研究进展;重点介绍了纳米复合凝胶聚合物电解质和多孔凝胶聚合物电解质的制备方法及其离子导电性;展望了凝胶聚合物电解质在锂离子电池中的应用。

原位交联凝胶聚合物电解质的制备及性能

采用相转化法制备了聚偏氟乙烯(PVDF)和苯乙烯-氧化乙烯-苯乙烯三嵌段共聚物(PS-PEO-PS)的共混多孔前体膜,再利用芳香官能团的傅克反应将前体膜原位交联,交联膜吸收电解液后得到交联凝胶聚合物电解质(CPEs)。对交联膜的形貌、热稳定性以及CPEs的电化学性能进行了表征,探讨了嵌段共聚物中PEO的链段长度对CPEs综合性能的影响。结果表明,CPEs交联膜的孔隙率和热稳定性较纯PVDF膜有很大的提升,其中CPE-2交联膜的孔隙率最高为72.3%,300℃时仍能保持稳定的孔隙结构,且几乎没有尺寸收缩,测试用半电池室温下显示出高的离子电导率(2.09mS/cm)和良好的充放电性能。

MMA/MAh共聚物的合成及其凝胶聚合物电解质性能

从聚甲基丙烯酸甲酯型凝胶聚合物电解质存在的问题出发,设计制备一种甲基丙烯酸甲酯/共聚马来酸酐型凝胶聚合物电解质.采用溶液聚合法,以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,甲基丙烯酸甲酯(MMA)、顺丁烯二酸酐(MAh)为单体,其MMA与MAh单体摩尔配比为1∶1,合成了P(MMA-co-MAh)共聚物;采用凝胶色谱(GPC)、傅立叶红外光谱(FTIR)、核磁共振(MNR)、示差扫描量热法(DSC)、热失重分析(TGA)、X-射线衍射分析(XRD)对所合成共聚物的结构进行了表征.结果表明,合成的共聚物为无规非晶型聚合物,其数均分子量Mn为6.40×104,共聚物中MMA与MAh链段摩尔比大约为8∶1,热分解温度为300℃,玻璃化转变温度(Tg)为121.3℃.以P(MMA-co-MAh)共聚物为树脂基体,环状碳酸1,2-丙二酯(PC)为增塑剂,LiClO4为电解质盐,制备了凝胶聚合物电解质(GPE),当共聚物含量为45 wt%时,GPE具有好的成膜性,其室温离子电导率为3.0×10-5S/cm.

离子液体/凝胶聚合物电解质的制备及其与LiFePO_4的相容性

以1-甲基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐(EMIPF6)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-HFP))和六氟磷酸锂(LiPF6)为原料,采用溶液浇铸法制备了离子液体/凝胶聚合物电解质(ILGPE).通过循环伏安(CV)、计时电流法、恒流充放电、电化学阻抗法(EIS)研究了该电解质的离子传输特性以及与锂离子电池正极材料LiFePO4的相容性.结果表明,离子液体/凝胶聚合物电解质的室温电导率为1.650×10-3S·cm-1,电化学稳定窗口达到5.0V.在充放电循环过程中,电极表面形成的钝化膜改善了锂离子脱、嵌可逆性和电极/电解质的界面性质.