固态锂离子电池生物类电解质的制备与性能研究

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由于锂离子电池容量可观且技术成熟,越来越多的人开始从事锂离子电池的研究,而固态聚合物电解质由于其良好安全性和极佳的柔韧性,人们对它的研究充满了极大的热情,但是传统固态聚合物电解质一般都是化工产品,既昂贵又不环保,因此发展绿色环保的生物类固态聚合物电解质是十分有必要的。本文是以邻苯二甲酸淀粉酯(PS)、醋酸纤维素(CA)、大豆分离蛋白(SPI)和聚偏氟乙烯(PVDF)为材料,以浇铸法为制备方法进行固态锂离子电池生物类电解质的制备。实验中分别通过控制聚合物基底和锂盐的比例来探究固态聚合物电解质的最佳电导率及其此时各组分的最佳比例,通过实验得到三种固态聚合物电解质膜,它们的组成成分及最佳电导率时的比例分别为双三氟甲磺酰亚胺基锂/邻苯二甲酸淀粉酯/聚偏氟乙烯(LiTFSI:PS:PVDF=1.6:1:1.67(w:w:w))、双三氟甲磺酰亚胺基锂/邻苯二甲酸淀粉酯/醋酸纤维素(LiTFSI:PS:CA=1.44:1.4:1(w:w:w))和双三氟甲磺酰亚胺基锂/大豆分离蛋白/醋酸纤维素(LiTFSI:SPI:CA=2.9:4.8:1(w:w:w)),然后对这三种最佳比例的固态聚合物电解质进行一系列性能测试。对三种生物类聚合物电解质分别进行物理性能的测试(红外光谱测试、扫描电子显微镜测试、X-射线衍射测试、热重测试等)和电化学性能的测试(电化学稳定窗口、锂离子迁移数、循环伏安曲线等)。结果表明:LiTFSI/PS/PVDF聚合物电解质的最佳电导率为3.84×10-44 S·cm-1;SEM测试显示LiTFSI/PS/PVDF聚合物电解质是一个多孔结构;电化学稳定窗口为4.17 V;锂离子迁移数为0.396;非阻塞电池LiFePO4/电解质膜/Li进行充放电测试,0.2倍率下首次充放电比容量分别为114.5 mAh·g-1和106.8 mAh·g-1,平均库伦效率为99.8%。LiTFSI/PS/CA聚合物电解质的最佳电导率为1.78×10-44 S·cm-1;通过XRD分析,PS的添加使聚合物电解质膜的结晶度降低;SEM测试显示LiTFSI/PS/CA聚合物电解质是一个多孔结构;电化学稳定窗口为4.5 V;锂离子迁移数为0.64;非阻塞电池LiFePO4/电解质膜/Li进行充放电测试,0.2倍率下首次充放电比容量分别为90.5mAh·g-1和82.6 mAh·g-1,平均库伦效率为100%。LiTFSI/SPI/CA聚合物电解质的最佳电导率为2×10-44 S·cm-1;通过XRD分析,SPI的添加使电解质膜的结晶度降低;SEM测试显示LiTFSI/SPI/CA聚合物电解质是一个多孔结构;电化学稳定窗口为4.15 V;锂离子迁移数为0.72;非阻塞电池LiFePO4/电解质膜/Li进行充放电测试,0.2倍率下首次充放电比容量分别为113.4 mAh·g-1和103.7mAh·g-1,平均库伦效率为99.7%。
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