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锂电池用细菌纤维素凝胶聚合物电解质膜的研究

作　者: 尹璐
导　师: 王彪
学　校: 东华大学
专　业: 材料学
关键词: 细菌纤维素凝胶聚合物电解质复合凝胶聚合物锂电池
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

锂电池具有能量密度高、输出电压高、循环寿命长、自放电率低等优点,成为便携式电子设备、卫星、电脑等领域的主要储能电源。近年来,以凝胶态聚合物作为电解质的锂电池具有安全可靠、外形设计灵活等特点,备受关注。凝胶聚合物电解质是将电解质束缚在聚合物凝胶网络中的多相材料,它的室温离子电导率可达10-3S/cm数量级,满足应用要求。目前,研究最为活跃的凝胶聚合物电解质体系是聚环氧乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。传统凝胶聚合物电解质主要通过溶剂浇铸的方法制备,由于加入较多增塑剂导致机械性能降低,成膜困难。因此制备兼具高电导率和优越机械性能的凝胶聚合物电解质成为科学家研究的重点。细菌纤维素膜(BC)是一种性能非常独特的水凝胶,其含水率超过95%,内部由纳米纤维交叉组成三维的立体网状结构,通过这种结构以及与纤维素分子之间的相互作用,水就固定在这种特殊的网络结构中。本论文以细菌纤维素水凝胶为原料,用真空浸渍法获得细菌纤维素有机凝胶,并通过在有机凝胶中添加锂化合物的方法制备BC凝胶聚合物电解质膜。系统地研究了锂化合物种类、添加量以及添加方法对凝胶聚合物电解质电导率和力学性能的影响。采用原位复合法制备BC/SiO,复合凝胶聚合物膜,通过真空浸渍引入有机溶剂与锂盐制备了复合凝胶聚合物电解质膜,并对其性能进行了表征。在上述基础匕,使用BC凝胶聚合物电解质膜成功组装了锂电池,并对其充放电循环性能进行了研究。通过上述研究工作,得到以下主要结论：1.通过真空浸渍法实现了细菌纤维素水凝胶向有机凝胶的转换。通过热失重及机械性能测试发现：以聚乙二醇二甲醚(NHD)为溶剂,LiClO4为电解质的BC凝胶聚合物电解质膜具有较好的热稳定性和力学性能。2.有机凝胶电解质中残留水含量及LiClO4电解质含量是影响电解质电导率的关键因素。在相同条件下,提高浸渍温度,有利于BC水凝胶转化为有机凝胶过程中水的脱除,从而可以提高凝胶聚合物电解质的离子电导率。在相同条件下,提高LiClO4含量,可有效提高凝胶聚合物电解质的离子电导率。当浸渍温度为80℃,LiClO4含量为23wt%时,电导率可达到1.6×10-2S/cm。3.通过红外、扫描电镜及XRD分析表明：凝胶聚合物电解质膜中,NHD、LiC104与细菌纤维素之间没有化学键合作用,溶剂和电解质均匀的填充在细菌纤维素三维网络中。细菌纤维素的晶体结构未发生改变,结晶度略有下降。通过对不同温度下BC凝胶聚合物电解质电导率的测试,电导率与温度的关系符合阿伦尼乌斯方程,说明其离子传导是通过Li+跃迁实现的。4.通过原位复合法制备了不同配比的BC/SiO2复合凝胶聚合物膜,再经过真空浸渍引入有机溶剂NHD和电解质LiC104得到BC/SiO2复合凝胶聚合物电解质膜。当Si02含量为12wt%时,电导率达到最大值为7.14×10-3S/cm。相同条件下,BC/SiO2复合凝胶聚合物电解质电化学稳定窗口变宽。5.以LiCoO2作为正极材料,锂片作为负极材料,与BC/NHD/17wt% LiC104凝胶聚合物电解质组装成锂电池,并检测了该电池的各项指标。该电池平均放电电压为3.9V,倍率充放电性能良好。该电池的低倍率放电(0.1C)循环性能良好,在30个循环后放电容量仍保持在86.2mAh/g,相当于初始容量的82%左右。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-30
  1.1 锂电池  12-15
    1.1.1 锂电池发展历史  12-13
    1.1.2 锂电池的结构与工作原理  13-14
    1.1.3 锂电池的分类  14-15
  1.2 凝胶聚合物电解质锂电池  15-22
    1.2.1 凝胶聚合物电解质  15-16
    1.2.2 凝胶聚合物电解质的要求  16
    1.2.3 凝胶聚合物电解质导电机理  16-17
    1.2.4 凝胶聚合物电解质膜的研究现状  17-21
    1.2.5 发展方向  21-22
  1.3 细菌纤维素研究进展  22-24
    1.3.1 细菌纤维素  22
    1.3.2 细菌纤维素的理化特性  22-23
    1.3.3 细菌纤维素的应用  23-24
  1.4 本论文的研究意义和内容  24-25
  参考文献  25-30
第二章细菌纤维素凝胶聚合物电解质膜的制备  30-49
  2.1 引言  30
  2.2 实验  30-35
    2.2.1 实验试剂与仪器  30-31
    2.2.2 实验步骤  31
    2.2.3 测试方法  31-35
  2.3 实验结果与讨论  35-47
    2.3.1 制备工艺的选择  35-41
    2.3.2 细菌纤维素凝胶聚合物电解质膜的表面形态  41-42
    2.3.3 细菌纤维素凝胶聚合物电解质膜的红外光谱测试  42-43
    2.3.4 细菌纤维素凝胶聚合物电解质膜的晶体结构分析  43-44
    2.3.5 细菌纤维素凝胶聚合物电解质膜的保液性能  44-45
    2.3.6 细菌纤维素凝胶聚合物电解质膜的电化学性能  45-47
  2.4 本章小结  47-48
  参考文献  48-49
第三章细菌纤维素/SiO_2复合凝胶聚合物电解质膜的制备  49-63
  3.1 引言  49-50
  3.2 实验  50-52
    3.2.1 实验试剂与仪器  50
    3.2.2 实验步骤  50-51
    3.2.3 测试方法  51-52
  3.3 实验结果与讨论  52-61
    3.3.1 BC/SiO_2复合凝胶聚合物膜的结构表征  52-54
    3.3.2 BC/SiO_2复合凝胶聚合物膜的热性能表征  54-55
    3.3.3 BC/SiO_2复合凝胶聚合物电解质膜的性能表征  55-61
  3.4 本章小结  61-62
  参考文献  62-63
第四章细菌纤维素凝胶聚合物电解质锂电池的性能  63-73
  4.1 引言  63-64
  4.2 实验  64-67
    4.2.1 实验材料及仪器  64-65
    4.2.2 扣式电池的组装  65-67
    4.2.3 测试方法  67
  4.3 电池性能测试  67-71
    4.3.1 电池充放电性能  67-68
    4.3.2 电池倍率放电性能  68-70
    4.3.3 电池循环性能  70-71
  4.4 本章小结  71-72
  参考文献  72-73
第五章结论  73-74
硕士研究生期间研究成果  74-75
致谢  75

锂电池用细菌纤维素凝胶聚合物电解质膜的研究

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