鋰電池用細菌纖維素凝膠聚合物電解質(zhì)膜的研究.pdf

1、鋰電池具有能量密度高、輸出電壓高、循環(huán)壽命長、自放電率低等優(yōu)點，成為便攜式電子設(shè)備、衛(wèi)星、電腦等領(lǐng)域的主要儲能電源。近年來，以凝膠態(tài)聚合物作為電解質(zhì)的鋰電池具有安全可靠、外形設(shè)計靈活等特點，備受關(guān)注。凝膠聚合物電解質(zhì)是將電解質(zhì)束縛在聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)中的多相材料，它的室溫離子電導(dǎo)率可達10-3S/cm數(shù)量級，滿足應(yīng)用要求。目前，研究最為活躍的凝膠聚合物電解質(zhì)體系是聚環(huán)氧乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。傳統(tǒng)凝膠聚合物電解質(zhì)主要通

2、過溶劑澆鑄的方法制備，由于加入較多增塑劑導(dǎo)致機械性能降低，成膜困難。因此制備兼具高電導(dǎo)率和優(yōu)越機械性能的凝膠聚合物電解質(zhì)成為科學(xué)家研究的重點。
　　 細菌纖維素膜(BC)是一種性能非常獨特的水凝膠，其含水率超過95％，內(nèi)部由納米纖維交叉組成三維的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過這種結(jié)構(gòu)以及與纖維素分子之間的相互作用，水就固定在這種特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。本論文以細菌纖維素水凝膠為原料，用真空浸漬法獲得細菌纖維素有機凝膠，并通過在有機凝膠中添加鋰化合

3、物的方法制備BC凝膠聚合物電解質(zhì)膜。系統(tǒng)地研究了鋰化合物種類、添加量以及添加方法對凝膠聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率和力學(xué)性能的影響。采用原位復(fù)合法制備BC/SiO2復(fù)合凝膠聚合物膜，通過真空浸漬引入有機溶劑與鋰鹽制備了復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)膜，并對其性能進行了表征。在上述基礎(chǔ)上，使用BC凝膠聚合物電解質(zhì)膜成功組裝了鋰電池，并對其充放電循環(huán)性能進行了研究。通過上述研究工作，得到以下主要結(jié)論：
　　 1.通過真空浸漬法實現(xiàn)了細菌纖維素水凝膠向有

4、機凝膠的轉(zhuǎn)換。通過熱失重及機械性能測試發(fā)現(xiàn)：以聚乙二醇二甲醚(NHD)為溶劑，LiClO4為電解質(zhì)的BC凝膠聚合物電解質(zhì)膜具有較好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。
　　 2.有機凝膠電解質(zhì)中殘留水含量及LiClO4電解質(zhì)含量是影響電解質(zhì)電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素。在相同條件下，提高浸漬溫度，有利于BC水凝膠轉(zhuǎn)化為有機凝膠過程中水的脫除，從而可以提高凝膠聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。在相同條件下，提高LiClO4含量，可有效提高凝膠聚合物電解質(zhì)的離子電導(dǎo)

5、率。當(dāng)浸漬溫度為80℃，LiClO4含量為23wt%時，電導(dǎo)率可達到1.6x10-2S/cm。
　　 3.通過紅外、掃描電鏡及XRD分析表明：凝膠聚合物電解質(zhì)膜中，NHD、LiClO4與細菌纖維素之間沒有化學(xué)鍵合作用，溶劑和電解質(zhì)均勻的填充在細菌纖維素三維網(wǎng)絡(luò)中。細菌纖維素的晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，結(jié)晶度略有下降。通過對不同溫度下BC凝膠聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率的測試，電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系符合阿倫尼烏斯方程，說明其離子傳導(dǎo)是通過Li+躍遷實

6、現(xiàn)的。
　　 4.通過原位復(fù)合法制備了不同配比的BC/SiO2復(fù)合凝膠聚合物膜，再經(jīng)過真空浸漬引入有機溶劑NHD和電解質(zhì)LiClO4得到BC/SiO2復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)膜。當(dāng)SiO2含量為12wt%時，電導(dǎo)率達到最大值為7.14×10-3S/cm。相同條件下，BC/SiO2復(fù)合凝膠聚合物電解質(zhì)電化學(xué)穩(wěn)定窗口變寬。
　　 5.以LiCoO2作為正極材料，鋰片作為負極材料，與BC/NHD/17wt% LiClO4凝膠聚合物