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。

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。

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%。

“聚合物基复合材料”专业课程实验案例之复合凝胶球的制备

“聚合物基复合材料”是复合材料与工程专业重要的专业课,就基体而言,围绕该课程开设的实验以玻璃纤维增强热固性树脂和热塑性通用树脂为主。这些聚合物基复合材料制备实验所用设备通常是大型仪器设备,如模压机、缠绕机和注塑机等。实验教学过程中,由于台套数限制,以教师演示操作为主,学生缺乏主动性和能动性,实验样品缺少特色,实验教学效果欠佳。为了增加实验的趣味性,激发学生的创新性,以氧化石墨烯(GO)/海藻酸钠(SA)复合凝胶球制备作为“聚合物基复合材料”专业课程实验,培养学生实验操作能力。实践表明,该实验拓展了“聚合物基复合材料”专业课程实验内容,培养了团队协作精神,锻炼了学生解决问题的能力,提高了学生实验操作的技能。

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。

聚乙烯醇基凝胶电解质的制备及在储能器件中的应用

由于在电化学能源存贮与转化器件中所展现出的巨大潜在应用前景,固态聚合物电解质膜的开发受到研究界的广泛关注。基于柔性储能与转换器件的发展,以聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)为基体的凝胶聚合物电解质(Gel polymer electrolytes, GPEs)因亲水性强,无毒,良好的兼容性以及优异的化学稳定性,是当前研究较多的理想电解质材料。本文从PVA基水凝胶电解质的制备合成原理、方法和性能表征出发,总结和讨论了其基本物理特性和电化学性能,并就PVA基水凝胶电解质在超级电容器、柔性锌空电池、锂离子电池以及太阳能水热电池中的研究和应用进展进行了综述,并对其在该领域未来的发展做出展望。

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。

纳米SiO_2/LiClO_4/PVDF-HFP复合凝胶聚合物电解质的制备及其电化学性能

为了解决液态电解质锂离子电池存在的安全性问题,以偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(PVDF-HFP)为基体,通过加入高氯酸锂(LiClO4)、增塑剂(碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯)、纳米二氧化硅等,制备出了具有高电导率的复合凝胶聚合物电解质。用X射线衍射仪测试聚合物电解质的结构,用交流阻抗法测定其电导率,用线性伏安扫描法研究了该聚合物电解质体系的电化学稳定性,并以其为电解质制备成锂离子电池进行充放电测试。结果表明,在20℃时复合凝胶聚合物电解质的电导率最高可达7.56×10-3S/cm,该电解质在4.6 V以下电化学窗口稳定,以其为电解质的锂离子电池具有良好的电化学性能,说明纳米SiO2/LiClO4/PVDF-HFP复合凝胶聚合物电解质能满足锂离子电池的应用。

改性PVDF-HFP基凝胶电解质的合成及锂金属电池性能研究

开发高质量的固态电解质,对制造新一代安全稳定的固态锂金属电池具有重要意义。以聚偏氟乙烯–六氟丙烯(polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene,PVDF-HFP)为聚合物基体,引入MOF-808作为活性填料,采用溶液浇筑法制备了新型凝胶聚合物电解质。优化后的凝胶聚合物电解质在室温下的离子电导率高达3.21 mS/cm,电化学稳定窗口可达5.0 V、具有较高的Li^(+)迁移数(0.63)、与锂金属具有良好的界面相容性。组装的磷酸铁锂全电池在0.5 C倍率下循环250次,容量保持率为86.7%。高性能凝胶聚合物电解质对提升锂金属电池的循环稳定性与安全性具有重要的应用价值。

纳米复合凝胶聚合物电解质的研究进展

在论述了凝胶聚合物电解质改性用的无机纳米粒子的种类(包括金属氧化物、非金属氧化物以及粘土)和性质的基础上,分析了无机纳米粒子做为添加剂对凝胶聚合物电解质性能的影响。

原位聚合制备有机累托石/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合凝胶聚合物电解质

通过自由基引发,以有机增塑剂为溶剂,用原位聚合的方式制备出有机累托石/聚甲基丙烯酸甲酯[organic-modified rectorite/poly(methyl methacrylate),OREC/PMMA]凝胶聚合物电解质(gel polymerel ectrolyte,GPE),研究了不同的分散工艺对纳米GPE(nano-GPE,NGPE)膜性能的影响。通过X射线衍射和透射电镜探讨NGPE的微观结构,并初步研究了NGPE膜的离子电导率(σ)和5%质量损失率对应的初始热分解温度(θi)。结果表明:OREC片层精细呈解离状,良好地分散在凝胶体系中。随OREC添加质量(下同)的增加,NGPE的σ及θi均呈现先增大后减小的趋势。当OREC的添加量为5%时,具有较高的σ和θi。

复合凝胶聚合物电解质的制备及电化学性能

以偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物为基体,通过与聚甲基丙烯酸甲酯共混,加入导电盐LiPF6、增塑剂聚乙烯吡咯烷酮,制备了高电导率的复合凝胶聚合物电解质(CGPE)。用红外光谱测试了聚合物电解质膜的结构,用交流阻抗法测试了CGPE的导电性能,用线性扫描伏安法研究了它的电化学稳定性。测试了以CGPE为电解质制备的锂离子电池的充放电性能。结果表明,当聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)质量分数为20%时,CGPE电导率大于10-3S/cm,在4.65 V电化学窗口以下稳定。以磷酸亚铁锂为正极时,在0.1 C和0.2 C倍率下放电时,聚合物电解质电池的首次放电容量分别为138 mAh/g和98.3 mAh/g。

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。

凝胶电解质离子电导率测试装置的设计与应用

通过开发一种可准确测量凝胶聚合物电解质离子电导率的新型盛器式装置,一方面可以固定电解质尺寸,提高离子电导率测试的一致性和重现性;另一方面可以原位监测凝胶聚合物电解质的固化过程,确定电解质的最短固化时间。实验结果表明,该装置测量同批次凝胶聚合物电解质的离子电导率的相对标准偏差在7%以内,不同时间段测得的相对标准偏差在2%以内,同时获得凝胶聚合物电解质在50℃下的最短固化时间为15 h。此外,利用该装置筛选出的高离子电导率的凝胶聚合物电解质所组装的电池具有优异的电化学性能。实验结果证明,该装置可以准确获得凝胶聚合物电解质的离子电导率及最短固化时间,筛选出电性能优异的电解质。