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。

改性多孔聚偏氟乙烯凝胶聚合物电解质膜的制备与性能分析

通过分散聚合制备了丙烯腈-甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯共聚物（Poly（AN-co-PEGMEMA））,并将其共混聚偏氟乙烯PVdF（Poylinylidene Fluioride）以制备改性多孔PVdF凝胶聚合物电解质膜.通过扫描电镜观察多孔膜外观,膜的孔径约在1.0-5.0μm之间,这有利于液体电解质的进入;此外,由于共混物极性较高使多孔膜有较好液体电解质溶涨能力.最终多孔凝胶聚合物电解质室温离子导电率较高,可达10^-3S.cm^-1数量级,其电化学稳定窗口超过4.6 V,这些性能都表明其在聚合物锂离子电池的开发中具有较好的应用潜能.

锂离子电池中凝胶聚合物电解质研究进展

当前锂离子电池多采用有机液态电解质,在遭受外部冲击时,有毒且易燃的液态电解质会发生泄露,若采用凝胶态电解质便能避免多种危险。使用凝胶聚合物电解质替代传统有机液态电解质来解决液态电解质易泄露问题成为研究热点之一。本文介绍了5种不同基质的凝胶电解质的研究现状,包括研究最早的聚乙烯氧化物(PEO)基凝胶电解质,具有较高玻璃化转换温度的偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基凝胶电解质等。对比分析了原位制备与非原位制备方法,包括工艺简单的高能电子束辐射方法、技术成熟的静电纺丝方法等。深入剖析了各种制备技术的原理,最后对其在锂离子电池中应用前景进行了展望。

基于DPEPA聚合物凝胶电解质的准固态钠离子电池

与锂离子电池相比,钠离子电池由于使用价格低廉且钠资源储量丰富,在实现低成本、规模化储能方面极具优势与市场竞争力。但高度易燃、易泄漏的液态电解液使常规钠离子电池在破损、短路、热失控等情况下存在安全隐患,并且液态电解液较低的电化学稳定性也制约了钠离子电池应用性能的进一步提升。本研究提出了一种简便易行的原位热聚合方法,基于二季戊四醇戊-/己-丙烯酸(DPEPA)的自由基聚合反应制备了离子电导率为1.97mS·cm^(–1),钠离子迁移数为0.66,且具有宽电化学稳定窗口的高性能聚合物凝胶电解质。研究发现DPEPA的最低未占据分子轨道(LUMO)能级低于碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)溶剂,可与NaPF_6在负极表面共同优先分解形成稳定的有机–无机复合固体电解质界面膜,抑制电解液溶剂分解。在此电解质中匹配Na(Ni_(1/3)Fe_(1/3)Mn_(1/3))O_(2)(NFM)正极与硬碳(HC)负极,构建的准固态钠离子全电池在120 mA·g^(–1)电流密度下稳定循环300次后,容量保持率达92%,并在20~80℃温度区间具有99~120 mAh·g^(–1)的比容量。利用原位X射线衍射仪揭示了NFM正极的高度结构可逆储钠机制与Na^(+)在HC负极中的“吸附-填孔”存储机制。研究表明引入含有低LUMO能级聚合物的凝胶电解质是在增强电池安全性的同时,提升固态钠离子电池电化学稳定性的有效手段。

一种高离子电导率水凝胶聚合物电解质的制备及性能

具有高离子电导率且综合性能优异的凝胶电解质是储能材料领域的研究热点。以简单的冻融法制备了一种基于聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖(CS)的水凝胶聚合物电解质,并获得高离子电导率。系统地探索了水凝胶冷冻时间、浸泡电解液的时间以及电解液种类对水凝胶离子电导率的影响,得出了适合该物理交联PVA/CS凝胶电解质的制备条件。结果表明:PVA与CS质量比为1∶2,经过5h冷冻12h解冻获得的凝胶具有较均匀的三维孔洞结构和较低的结晶度,没有发生水凝胶无限溶胀以及溶解的现象。该水凝胶浸泡饱和NaCl电解液6h后其离子电导率达到最大值1.68S/cm,浸泡1mol/L H_(2)SO_(4)电解液的离子电导率在4h时最大为0.83S/cm。此外,5mm厚的水凝胶在12h后达到溶胀平衡,体积和质量溶胀率分别约为170%和145%;凝胶断裂伸长率在室温下可以达到200%左右。

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%。

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.

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。

锂离子电池凝胶聚合物电解质改性的研究现状

从目前凝胶聚合物电解质的研究现状及问题出发,重点介绍了两种改性凝胶聚合物电解质的方法。无机纳米粒子复合凝胶聚合物电解质能够降低结晶型聚合物的结晶度,提高其离子电导率,改善其力学性能和稳定性;多孔凝胶聚合物电解质能够实现在较宽的温度范围内能保持较高的离子电导率和较好的机械强度及尺寸稳定性。最后,对凝胶聚合物电解质的改性研究方向作出了展望。

聚醚侧链型聚硅氧烷对含氟聚合物凝胶锂离子电解质膜性能的影响

通过浸没沉淀相转化法制备了具有类似孔结构的聚醚侧链型聚硅氧烷(PDMS-g-(PPO-PEO))改性的聚偏氟乙烯(PVDF)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)多孔骨架,经电解液活化后得到凝胶电解质膜,研究了PDMS-g-(PPO-PEO)对含氟聚合物凝胶电解质膜性能的影响。由改性PVDF和PVDF-HFP骨架被电解液活化制备的聚合物凝胶电解质膜,离子电导率分别达到2.2×10-3和1.7×10-3S/cm,综合分析凝胶电解质膜中电解液稳定性和膜的电化学性能发现,PDMS-g-(PPO-PEO)对PVDF骨架的改性效果明显优于PVDF-HFP骨架,共混改性后PVDF可代替PVDF-HFP作为隔膜作为锂离子电池凝胶电解质膜。

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。

聚合物锂离子电池用凝胶电解质的研究进展

综述聚氧化乙烯(PEO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚丙烯腈(PAN)等聚合物材料用作锂离子电池凝胶电解质的特性.PAN体系凝胶电解质的离子电导率一般在10-3 S/cm数量级,其锂离子迁移数比PEO体系大,可达到0.5;与PAN基凝胶电解质相比,以PMMA为基的凝胶电解质与锂电极的界面稳定性和循环性能更好,但是机械强度较差;PVDF大分子链上含有很强的推电子基(-CF2),且介电常数较高(ε=8.4),有利于促进锂盐更充分的溶解,增加载流子浓度.提出添加无机纳米粒子的凝胶电解质是目前的研究热点,是凝胶电解质的发展趋势.

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.

聚合物锂离子蓄电池用凝胶聚合物电解质

较详细地介绍了聚合物锂离子蓄电池用凝胶聚合物电解质的两种主要组成 :聚合物和增塑剂 ,着重阐述了其各组分的结构和组分间相互作用对其性能的影响。综述了凝胶聚合物电解质的几个主要性能———离子传递性能 ,电化学稳定性 ,热稳定性和力学性能等 ,以及影响其有关性能的结构因素。还详述了改善凝胶聚合物电解质力学性能的三种方法 :交联 ,添加填料和采用两相结构。最后介绍了由其制备的聚合物锂离子电池的性能、特点。

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.

一种新型凝胶态聚合物电解质的制备和性能

采用一种新型胶联剂新戊二醇二丙烯酸酯(noepentylglycoldiacrylate,NPGDA)和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene),PVDF-HFP),液态电解液组成电解质混合溶液,然后加入引发剂并加热引发聚合反应制备了一种具有互穿聚合物网络结构的凝胶态聚合物电解质,可以用于制备聚合物锂离子二次电池.考察了不同PVDF-HFP/NPGDA质量比对凝胶态聚合物电解质性能的影响.结果表明,PVDF-HFP/NPGDA质量比可以影响凝胶态聚合物电解质的结构形貌、电化学特性以及聚合物锂离子二次电池的性能.研究发现,当m(PVDF-HFP)/m(NPGDA)=1:1时制备的凝胶态聚合物电解质具有较高的离子电导率和电化学稳定窗口,室温下分别为6.99×10-3S·cm-1和4.8V(vsLi+/Li),以其为电解质制备的聚合物锂离子二次电池具有较好的电化学性能.