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锂离子电池用PVDF/PMMA电纺膜的制备及电化学性能研究

作　者: 李晓云
导　师: 曹琪
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理化学
关键词: 聚偏氟乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚合物电解质 电纺 锂离子电池
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


在信息、电子产业高速发展的时代,锂离子电池因具有能量密度高,工作电压高,自放电速率低,使用温度范围宽等优点,而被广泛应用于手机、军事、无线通信设备等诸多领域,并朝着智能化、小型化、环保化方向发展。聚合物锂离子电池作为新一代的锂离子电池,使用聚合物电解质替代液态电解质,则不存在漏液等安全问题,且使用铝塑膜包装,大大提高了电池设计的灵活性,因而成为了锂离子电池的重要研究方向。本文采用静电纺丝法制备了聚偏氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯（PVDF/PMMA）纤维膜,对其制备工艺及物理和电化学性能进行了研究。主要内容为以下几个方面:首先,配制不同浓度的聚合物溶液,应用电纺法制备了三种典型形貌的PVDF/PMMA复合纤维膜,并对PVDF/PMMA复合纤维膜电纺参数的选取进行了讨论。采用扫描电镜（SEM）、红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）、孔隙率、吸液率和电导率等测试手段对PVDF/PMMA复合纤维膜进行了分析和表征。结果表明:由浓度为16 wt.%的聚合物溶液制备的复合纤维膜的纤维分布均匀,具有良好的电化学稳定性,其室温离子电导率也最高,达到了3.5×10-3 S/cm。其次,改变PVDF与PMMA的质量比,用电纺法制备了PVDF和PVDF/PMMA纤维膜。通过SEM、FTIR、XRD、电导率、界面稳定性等测试手段对纤维膜进行了分析和表征。用PVDF/PMMA（8/2）为聚合物电解质组装Li/LiFePO4电池,并进行恒流充放电性能测试。结果表明:PMMA与PVDF能够在不同质量比的条件下进行混纺;PVDF/PMMA复合纤维膜具有高的离子电导率、良好的电化学稳定性;PVDF/PMMA（8/2）具有低的结晶度、高的吸液率和电导率;并且PVDF/PMMA（8/2）为聚合物电解质的Li/LiFePO4电池在0.1C时的首次放电比容量高达153.3 mAh/g,电池表现出良好的循环性能。最后,通过在聚合物溶液中加入二氧化钛（TiO2）的前驱体,采用电纺法制备了聚偏氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯/TiO2（PVDF/PMMA/TiO2）复合纤维膜。利用SEM、FTIR、DSC和电导率等测试手段对纤维膜进行了分析和表征。结果表明:原位生成的TiO2能均匀分散在纤维膜中;PVDF/PMMA/TiO2复合纤维膜具有低的结晶度、良好的电化学稳定性,其室温离子电导率高达3.87×10-3 S/cm。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 综述  10-25
  1.1 锂离子电池的概述  10-13
    1.1.1 锂离子电池的分类及组成  10-11
    1.1.2 锂离子电池的工作原理和优势  11-12
    1.1.3 锂离子电池存在的问题  12-13
  1.2 聚合物锂离子电池及聚合物电解质  13-19
    1.2.1 聚合物锂离子电池的概述  13
    1.2.2 聚合物电解质的发展历史  13-14
    1.2.3 聚合物电解质的特点与要求  14
    1.2.4 聚合物电解质的离子导电模型  14-16
    1.2.5 聚合物电解质的分类  16-19
  1.3 微孔聚合物电解质的制备方法  19-23
    1.3.1 Bellcore 法  19-20
    1.3.2 相转化法（Phase inversion process）  20-21
    1.3.3 静电纺丝法（Electrospinning）  21-23
  1.4 论文的研究思路及主要内容  23-25
    1.4.1 研究思路  23
    1.4.2 主要内容  23-25
第二章 实验原料与方法  25-30
  2.1 主要原料与化学试剂  25
  2.2 主要仪器设备  25-26
  2.3 材料的制备和电池的组装  26
    2.3.1 PVDF/PMMA 聚合物电纺膜的制备  26
    2.3.2 PVDF/PMMA 聚合物电解质的制备  26
    2.3.3 电池极片的制备  26
    2.3.4 扣式电池的组装  26
    2.3.5 非阻塞电池的组装  26
  2.4 材料的物理化学性能表征  26-28
    2.4.1 粘度的测定  26
    2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）  26-27
    2.4.3 傅立叶变换红外光谱（FTIR）  27
    2.4.4 X 射线衍射技术（XRD）  27
    2.4.5 差示扫描量热法（DSC）  27
    2.4.6 孔隙率测试  27
    2.4.7 吸液率测试  27-28
  2.5 材料的电化学性能表征  28-29
    2.5.1 电导率测试  28
    2.5.2 界面稳定性测试  28
    2.5.3 电化学稳定窗口测试  28-29
  2.6 电池性能表征  29-30
    2.6.1 恒流充放电测试  29
    2.6.2 循环性能测试  29-30
第三章 聚偏氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯纤维膜的制备研究  30-38
  3.1 引言  30
  3.2 聚偏氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯纤维膜的制备  30-33
    3.2.1 纤维膜的制备  30
    3.2.2 电纺参数的确定  30-33
  3.3 纤维膜的性能表征  33-37
    3.3.1 红外光谱分析  33
    3.3.2 结晶度测试  33-34
    3.3.3 孔隙率和吸液率测试  34-35
    3.3.4 离子电导率测试  35-36
    3.3.5 电化学稳定窗口测试  36-37
  3.4 小结  37-38
第四章 聚偏氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯纤维膜的制备及表征  38-49
  4.1 引言  38
  4.2 纤维膜的制备  38-39
  4.3 纤维膜的物理化学性能表征  39-42
    4.3.1 形貌分析  39
    4.3.2 红外光谱分析  39-40
    4.3.3 吸液率测试  40-41
    4.3.4 X 射线衍射测试分析  41-42
  4.4 纤维膜的物理化学性能表征  42-46
    4.4.1 电导率测试  42-44
    4.4.2 电化学稳定窗口测试  44-45
    4.4.3 界面稳定性测试  45-46
  4.5 电池性能表征  46-47
    4.5.1 充放电测试  46
    4.5.2 循环性能测试  46-47
  4.6 小结  47-49
第五章 聚偏氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯/Ti0_2复合纤维膜的制备及表征  49-55
  5.1 引言  49
  5.2 复合纤维膜的制备  49-50
  5.3 复合纤维膜的物理化学性能表征  50-52
    5.3.1 形貌分析  50
    5.3.2 红外光谱分析  50-51
    5.3.3 结晶度测试  51-52
  5.4 复合纤维膜的电化学性能表征  52-53
    5.4.1 电导率测试  52-53
    5.4.2 电化学稳定窗口测试  53
  5.5 小结  53-55
第六章 结论与展望  55-57
  6.1 总结  55
  6.2 展望  55-57
参考文献  57-63
致谢  63-64
攻读硕士学位期间发表的论文及成果  64-65
个人简历  65

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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