聚合物在锂离子电池中的应用
聚合物电解质在电池技术中的应用
聚合物电解质在电池技术中的应用电池是现代社会中极为重要的组成部分之一，在各种电子设备中都有广泛的应用。
然而，随着科技的不断发展，电池的应用范围变得更加广泛和复杂化，对电池的能量密度、稳定性和安全性等方面的要求也越来越高。
在这种情况下，聚合物电解质作为一种新型的电池材料应运而生。
本文将就聚合物电解质在电池技术中的应用做一简要的介绍。
一、聚合物电解质的概述聚合物电解质是由具有良好溶解性的高分子材料制成的电导体，具有较高的离子导电性。
相比于传统的电解液，聚合物电解质具有更高的稳定性和耐化学性，并且在高温环境下表现更加优异。
二、聚合物电解质在锂离子电池中的应用锂离子电池是目前最流行的电池之一，其应用范围非常广泛。
聚合物电解质作为锂离子电池中的一种重要材料，其在电池技术中的作用不言而喻。
聚合物电解质在锂离子电池中可以有效地防止锂金属的形成，并可以降低电池内电解质的熔点，提高电池的输出功率。
此外，聚合物电解质的理化性质可以被灵活调节，从而使电池具有更高的能量密度和更长的循环寿命。
因此，在未来，聚合物电解质将成为锂离子电池领域中的一个重要发展方向。
三、聚合物电解质在钠离子电池中的应用钠离子电池可以有效地替代锂离子电池，特别适合于大规模能量存储和应用。
钠离子电池中的聚合物电解质相较于锂离子电池，其分子量更大、分子间作用力更弱，因此其离子导电性能和机械稳定性更好，可以承受更高的电场。
聚合物电解质在钠离子电池中的应用受到人们的广泛关注，其目的一方面是为了提高钠离子电池的反应速度和化学稳定性，另一方面则是为了降低电解质在燃烧或爆炸时所带来的危险。
四、聚合物电解质在超级电容器中的应用超级电容器是一种新型的高效能电子存储设备，以其高能量密度和超强的快速充放电作为其优势所在。
然而，传统的超级电容器往往因其电池液的不稳定性和易燃性而导致使用不便。
聚合物电解质作为新型的电池液材料，在超级电容器中具有非常广阔的应用前景。
聚合物电解质可以通过改变其聚合度来实现不同的导电性能和机械性能。
复合凹凸棒土的聚合物隔膜的制备及其在锂电池中的应用
第53卷第1期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 1 2024年1月 Liaoning Chemical Industry January，2024收稿日期： 2023-04-26复合凹凸棒土的聚合物隔膜的制备及其在锂电池中的应用杨庆，吴帅宾*（宜春学院 化学与生物工程学院， 江西 宜春 336000）摘 要： 在锂电池的四个主要组成部分中，隔膜的性能对电池的性能有着直接的影响。
目前，市场上广泛使用的是制备技术成熟、成本相对较低的聚烯烃类隔膜，但其存在孔隙率差、热稳定性差、电解液润湿性差等缺点，从而限制了锂电池的发展。
因此，对隔膜进行性能改善是提高锂电池性能的一项关键措施。
以聚丙烯隔膜为基质，主要采用静电吸附法在聚丙烯隔膜表面涂覆一层凹凸棒土，探讨凹凸棒土对隔膜的性能改造效果。
结果表明，当凹凸棒土质量浓度为1 mg/mL、隔膜浸渍时间为12 h 时，凹凸棒土可成功复合于隔膜表面。
此时，复合隔膜的孔隙率高达78%，电解液润湿性明显优于空白隔膜。
同时，其电化学性能也得到了明显改善。
关 键 词：凹凸棒土； 锂电池隔膜； 静电吸附中图分类号：TQ016.5+3 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）01-0074-05传统的能源供应方式，如化石燃料资源，面临着资源短缺和严重的环境污染问题[1]。
新能源的开发有助于减少我们对化石燃料的依赖，并在减少二氧化碳排放方面发挥重要作用[2-3]。
其中，锂离子动力电池由于其安全性能好、环境污染小等优点，近年来，它越来越受到关注，已成为新能源领域的重要组成部分。
锂电作为一种绿色环保的能源，不仅可以减少二氧化碳的排放，同时也是实现“双碳”战略的一个重要抓手。
锂电池由四部分组成：正极、负极、电解质溶液和隔膜。
其中，隔膜作为锂电池的重要组成部分，虽然不参与电池中的电化学反应，但其可以防止由于正、负两极直接接触所导致的短路现象，同时，由于其本身是一个多孔结构，可以通过离子和电子的传输来实现电极与电解质之间的电荷转移[4-7]。
阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其在高安全锂离子电池中的应用
收稿日期:2023-03-24;修改日期:2023-04-16基金项目:中央高校基本科研业务费(W K 2320000057)作者简介:李星军,中国科学技术大学硕士研究生,研究方向为锂离子电池安全㊂通讯作者:阚永春,E -m a i l :y c k a n @u s t c .e d u .c n ;宋磊,E -m a i l :l e i s o n g@u s t c .e d u .c n第32卷第3期2023年9月火 灾 科 学F I R ES A F E T YS C I E N C EV o l .32,N o .3S e p.2023文章编号:1004-5309(2023)-0167-10D O I :10.3969/j.i s s n .1004-5309.2023.03.05阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其在高安全锂离子电池中的应用李星军,牧小卫,阚永春*,宋 磊*,胡 源(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026)摘要:随着锂离子电池能量密度的不断提高,火灾事故愈发频繁,提高锂离子电池安全性能越来越受到重视㊂基于乙烯基膦酸二乙酯㊁季戊四醇四丙烯酸酯和商业电解液合成了阻燃凝胶聚合物电解质(D E V P -G P E ),并对其组装的锂离子电池开展了电化学性能和火安全性能的研究㊂循环测试表明,石墨//D E V P -G P E //L i 半电池在第1000圈时的容量维持率高达88.7%,明显高于商业电解液(25.8%),磷酸铁锂//D E V P -G P E //石墨全电池在0.5C 倍率下循环100次的容量维持率高达80.2%,平均库仑效率为99.73%,具有良好的循环稳定性㊂火焰燃烧测试结果表明,含磷D E V P -G P E 的自熄时间仅为1.5s ㊂1A h 容量级别袋式全电池的过热测试结果表明,阻燃型D E V P -G P E 不起火只冒烟,而且不漏液㊂以上结果均证明制备的D E V P -G P E 具有良好的火安全性能㊂通过对电解质热解过程的分析,含磷D E V P -G P E 能够很好地限制内部电解液的挥发和热解,并且在燃烧时释放出磷自由基以中断燃烧链式反应㊂关键词:凝胶聚合物电解质;阻燃性能;锂离子电池;循环性能中图分类号:X 93;X 932 文献标识码:A0 引言锂离子电池(L I B s)作为一种综合性能良好的储能设备,被广泛用于电动汽车和储能电站领域[1-4]㊂为了进一步发展L I B s ,其能量密度也在不断提高㊂然而,L I B s 安全性能较低是限制其发展的主要障碍之一,这是因为其内部大量的碳酸酯类电解液是易燃的[5],一旦发生电解液泄漏,会引起严重的火灾甚至爆炸[6]㊂而即使是不燃电解液,也依然会发生热失控[7],安全系数太低㊂凝胶聚合物电解质(G P E )将易燃的增塑剂包裹在聚合物网络结构中,不会漏液,并且G P E 的电池循环性能与液态电解质相当[8]㊂但G P E 并不能完全阻止内部增塑剂的挥发,G P E 受热时内部的增塑剂依然会有部分挥发和热解为易燃的蒸气,存在一定的安全隐患㊂因此,需要提高G P E 的阻燃性能㊂对于阻燃型G P E 的制备,常见方法是将阻燃剂直接添加至商业电解液中[9],含阻燃剂的电解液以增塑剂形式被包裹在聚合物基体中㊂在已有报道的阻燃剂中,常用的是磷系阻燃剂,例如磷酸三甲酯[10]㊁磷酸三乙酯[11]㊁磷酸三苯酯[12]等㊂但是,这些含磷阻燃剂的电化学稳定性较差,电池充放电时其容易在负极表面分解[13]㊂同时,只有在阻燃剂含量非常高时,G P E 的阻燃效果才较为明显㊂但在如此高的添加量之下,电池的电化学性能会有所下降[14]㊂为了解决以上问题,部分学者将阻燃剂固定在聚合物基体中,直接使用商业电解液作为增塑剂㊂阻燃剂通过化学键被固定在高分子链上,不仅能够赋予G P E良好的阻燃性能[15],还能够避免磷系阻燃剂接触电极材料,抑制含磷阻燃剂的分解[16]㊂在本工作中,以乙烯基膦酸二乙酯(D E V P)和季戊四醇四丙烯酸酯(P E T E A)为共聚合单体,商业电解液为溶剂,以溶液聚合为技术路线,使用原位热引发聚合D E V P和P E T E A混合单体溶液来制备含磷阻燃凝胶聚合物电解质(D E V P-G P E)㊂其中, D E V P作为一种商业化阻燃剂,磷含量(18.9w t%)非常高,能够与电化学稳定的P E T E A单体共聚形成交联聚合物网络[17],电解液被包裹在含磷交联网络中,得到火安全性能良好的阻燃D E V P-G P E㊂石墨//D E V P-G P E//L i半电池在第1000圈时的容量维持率高达88.7%,明显高于商业电解液(25.8%);袋式磷酸铁锂//D E V P-G P E//石墨全电池在0.5C 倍率下循环100次的容量维持率高达80.2%,平均库仑效率为99.73%,表现出优异的长循环稳定性能㊂该大容量软包电池在过热测试中,不起火只冒烟,展现出优异的安全性能㊂最后,对D E V P-G P E 的热降解过程进行了分析,揭示了其提高电池安全性能的原因㊂1实验部分1.1实验试剂乙烯基膦酸二乙酯(D E V P)㊁季戊四醇四丙烯酸酯(P E T E A)和偶氮二异丁腈(A I B N)㊁N-甲基吡咯烷酮(N M P)均购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司㊂A I B N使用前需要重结晶㊂电解液(1m o l㊃L-1L i P F6i nE C/D E C+5%F E C)与隔膜购买自东莞市科路得新能源科技有限公司㊂磷酸铁锂(L F P)㊁石墨(G r a p h i t e)㊁导电炭黑S u p e r P以及P V D F粘结剂均购于东莞市科路得新能源科技有限公司㊂锂金属片(>99.9%)购于天津中能锂业有限公司㊂1.2材料合成㊁电池组装及其性能表征1.2.1材料合成D E V P-G P E及其聚合物基体制备:D E V P与P E T E A的质量比为2ʒ1,A I B N添加量为单体总量的2w t%,增塑剂含量为90w t%㊂D E V P㊁P E T-E A和A I B N溶解在电解液中,搅拌均匀配制成G P E的前驱体溶液㊂前驱体在80ħ下加热20m i n,得到D E V P-G P E㊂聚合物基体的制备过程不需要加入商业电解液,D E V P和P E T E A的质量比为2ʒ1,加入A I B N 后在样品瓶中混合均匀,于80ħ下加热20m i n完成热引发聚合,得到聚合物基体㊂购买的商业电解液无任何处理,作为空白对照组(L E)㊂1.2.2电池组装注入60μL上述G P E的前驱体溶液至P E隔膜中,装入C R2032型扣式电池中,扣压机密封电池,静置3h后将电池放入80ħ的烘箱中加热20 m i n,前驱体溶液在热引发条件下原位聚合形成D E V P-G P E,用于后续电化学性能测试㊂软包电池:通过卷绕法制备出L F P//D E V P-G P E//G r a p h i t e全电池,即正极为L F P,石墨为负极,正负极对应极耳分别为铝和镍㊂铝塑膜封装干电芯,长方形电池极耳处一边为开口㊂注入约5m L的D E V P-G P E前驱体溶液至电芯内部,由热压封口机(合肥科晶材料科技有限公司)对其完全密封㊂注液封装好的电池需静置4h,然后在80ħ的烘箱中加热20m i n,得到凝胶态软包锂离子电池㊂所有软包电池循环前,需要在75ħ和0.1C电流下进行化成㊂软包电池极片:L F P正极面密度为10.74m g㊃c m-2,G r a p h i t e负极面密度是4.85m g㊃c m-2㊂1.2.3实验表征及性能测试(1)结构表征扫描电子显微镜(S E M):通过F E S E M S U 8220扫描电子显微镜(日本H i t a c h i公司)观察P E 隔膜与G P E膜的表面形貌㊂傅里叶变换红外光谱(F T I R):由N i c o l e t M A G N A6700红外光谱分光光度仪所得,样品与干燥的K B r粉末于研钵中研磨混合均匀,所得细粉末通过压片机压制成片㊂(2)电化学性能离子电导率(σ):通过C H I670E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)测得电解质膜的交流阻抗谱图(E I S),频率范围为0.1H z~100k H z㊂离子电导率计算公式如下:σ=lSˑR b(1)其中,l为电解质膜厚度;R b为欧姆电阻,由E I S谱图所得;S为膜与不锈钢片的有效接触面积㊂循环性能:磷酸铁锂-石墨全电池和石墨半电池的测试电压范围分别为2V~3.8V和0.05V~861火灾科学F I R ES A F E T YS C I E N C E第32卷第3期2V ㊂首圈以0.1C 电流化成后,测试电流维持为0.5C ㊂线性扫描伏安测试(L S V ):电解质置于不锈钢片和锂金属之间,组装S S //L i 扣式电池,扫描速率为0.001V ㊃s-1㊂(3)热性能热重分析(T G A ):通过Q 5000热分析仪(美国T A 公司)研究样品的热稳定性能,以5ħ/m i n 从室温加热至700ħ,热分析过程气氛为N 2㊂(4)火安全性能图1 (a )原位聚合型D E V P -G P E 制备示意图;(b )液态前驱体与聚合后D E V P -G P E 的数码照片;(c )D E V P ㊁P E T E A 和D E V P -G P E 的F T I R 光谱;(d )P E 膜和(e )D E V P -G P E 膜的S E M 图像F i g .1 (a )S y n t h e t i c p r o c e s s o f D E V P -G P E ,(b )D i g i t a l p h o t o g r a p h o f pr e c u r s o r a n dD E V P -G P E ,(c )F T I Rc u r v e s o f s a m p l e s ,(d )S E Mi m a g e s o f P Em e m b r a n e ,(e )S E Mi m a ge s of D E V P -G P E 电池过热测试:在尺寸规格为0.6mˑ0.6mˑ0.8m 的防爆箱中,锂离子软包电池紧贴于加热功率为200W 的圆柱形加热棒上㊂升温测试前,所有电池均被充电至3.8V (100%S O C )㊂加热时,电池正负极连接C T 2001A 型电池测试系统(武汉蓝电有限公司)以检测实时电压;电池表面温度由K 型热电偶所测得并由J K7000-80多路温度测试仪(常州金科有限公司)记录㊂整个测试过程由S o n y 相机录制㊂2 结果与讨论2.1 电解质制备与表征在G P E 的组成上,主要是聚合物基体和增塑剂两部分㊂本文使用商业电解液作为增塑剂,因此G P E 中主要部分为电解液,其含量决定了G P E 的关键性能,比如阻燃性能㊁电化学性能和机械性能等[7]㊂当G P E 的增塑剂含量较低时,G P E 可燃性较低,且机械强度较高,但电化学性能有所下降㊂这是因为G P E 主要依靠电解液来传导锂离子,较低的电解液含量则不利于锂离子的运输[18]㊂并且还会因电解液没有充分浸润电极等活性材料,导致较低的充放电容量㊂综合考虑以上因素,本文设计的增塑剂含量为90w t %㊂如图1(a )所示,利用D E V P 和P E T E A 中C =C 双键之间的聚合来制备聚合物基体㊂D E V P 与P E T E A 的质量为2ʒ1,加入A I B N 和相应质量的增塑剂,溶解均匀,得到图1(b)中透明无色的前驱体溶液㊂从图1(b )中可以看到,前驱体溶液在80ħ下聚合20m i n 后,转变为白色固体型凝胶㊂图1(c )为两种单体和D E V P -G P E 的F T I R 光谱图㊂在P E T E A 的F T I R 谱图中,1726c m -1处存在一个强烈吸收峰,对应P E T E A 中C =O 双键的伸缩振动,1630c m -1处的吸收峰归属于C =C 双键的伸缩振动㊂在D E V P 的F T I R 谱图中,具有单个C =C 双键结构的D E V P 在1630c m -1位置处也存在明显的吸收峰㊂将D E V P 与P E T E A 进行交联形成D E V P -G P E 之后,可以看到C =C 双键对应的吸收峰的消失,而C =O 伸缩振动等特征峰仍然存在,表明D E V P 与P E T E A 单体之间进行了共聚合以形成交联网络,且单体的转化率较高㊂图961V o l .32N o .3李星军等:阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其在高安全锂离子电池中的应用1(d )和图1(e )分别为P E 支撑膜和D E V P -G P E 膜的S E M 图,可以看到,经过凝胶填充之后,支撑膜中原有的大量小孔基本被凝胶所填充㊂致密的D E V P -G P E 膜表面平整,聚合物凝胶与支撑膜共存,形成一个整体,这表明D E V P -G P E 与支撑膜有很好的相容性㊂阻燃型G P E 的可燃性较低,这是其受到广泛关注的重要原因之一㊂通过丙烷火焰点燃电解质,初步测试D E V P -G P E 的可燃性㊂利用数码相机录制燃烧过程,截取录像中关键帧,如图2所示㊂从图2中可以明显看到,D E V P -G P E 一旦离开火焰,不到1.5s 就会熄灭,期间只有微弱的小火苗㊂表明D E V P -G P E 具有优异的阻燃性能㊂相比之下,商业电解液/隔膜体系一旦接触火焰后立刻被点燃,一直保持剧烈燃烧的状态,不会自熄㊂隔膜接触火焰后也会很快收缩,被点燃后出现熔滴㊂D E V P -G P E 优异的阻燃性能得益于内部阻燃剂热解产生的P ㊃与P O ㊃自由基,中断了燃烧链式反应[19],同时D E V P -G P E 内部可燃电解液的挥发和热解受到限制,D E V P -G P E 可以赋予电池更高的安全性能㊂这是因为液态电池在受热后,内部的电解液挥发和热解产生大量可燃蒸气,这些蒸气如果短时间从电池中喷出,会引起非常严重的火灾和爆炸[20]㊂而对于D E V P -G P E ,逸出的蒸气大幅度减少,即使部分蒸气被点燃,D E V P -G P E 内部的阻燃剂能够阻止火灾的进一步蔓延,从而提高锂离子电池的安全性能㊂图2 D E V P -G P E 和L E 的燃烧测试数码照片F i g .2 C o m b u s t i o n t e s t o f p r e pa r e dD E V P -G P Ea n dL E 2.2 电解质电化学性能研究图3为D E V P -G P E 的离子电导率测试结果,测试温度区间为25ħ~65ħ㊂如表1所示,D E V P -G P E 的电导率随着温度提高而升高㊂D E V P -G P E的室温离子电导率为0.54m S ㊃c m -1,接近L E(0.64m S ㊃c m -1)㊂凝胶电解质的工作温度一般是室温,测试更高温度下的离子电导率则可以确定电解质的活化能(E a )㊂图3为D E V P -G P E 离子电导率与温度的A r r h e n i u s 关系图(l o g σve r s u s 1000/T )㊂可以看到,D E V P -G P E 的l o g σ与温度均呈现线性相关,说明D E V P -G P E 的离子电导率与温度之间的关系可以通过A r r h e n i u s 方程(公式2)来描述㊂D E V P -G P E 的活化能为6.77k J ㊃m o l -1,表明离子在D E V P -G P E 中的迁移运动能垒较低㊂D E V P -G P E 与商业电解液相当的离子电导率,可以推测后续电池循环性能较好㊂表1 用电化学阻抗谱方法测得的不同温度下离子电导率T a b l e 1 I o n i c c o n d u c t i v i t y of D E V P -G P Eb a s e dE I Sm e t h o d 温度(ʎC )离子电导率(m S ㊃c m -1)250.54350.57450.63550.66650.70k =A e-E aR T(2)图3 D E V P -G P E 的A r r h e n i u s 拟合结果F i g .3 A r r h e n i u s f i t t i n gr e s u l t s o f D E V P -G P E 具有良好的电化学稳定性,电池在运行时电解质不会发生分解而产生副反应,避免恶化电池性能㊂线性扫描伏安测试(L S V )用于测试电解质的电化学稳定窗口,足够宽的电化学稳定窗口是电解质被应071火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第32卷第3期用于多种电极材料的前提之一㊂在图4中,当电压超过4.0V 后,L E 的分解电流明显增大,表现出较弱的耐氧化性㊂相比之下,D E V P -G P E 直到4.3V 后才出现明显的分解氧化电流,具有更高的电化学氧化电压㊂因此,L S V 测试结果表明D E V P -G P E 比L E 具有更高的电化学稳定窗口,这赋予了其应用于大多数高压正极材料(4.3V 级别)的潜力㊂图4 D E V P -G P E 和L E 的线性扫描伏安测试结果F i g.4 L S Vc u r v e s o f D E V P -G P Ea n dL E 首先,本文通过组装G r a ph i t e //L i 扣式电池,研究D E V P -G P E 在石墨半电池中的室温循环性能㊂如图5和表2所示,在循环初期,D E V P -G P E 的充电比容量较低㊂D E V P -G P E 的前10圈平均比容量仅有205.7m A h ㊃g -1,低于L E (233.1m A h ㊃g -1),其首圈库仑效率也仅有62.85%㊂循环前期容量偏低是因为还未形成稳定的固态电解质界面(S E I)膜,界面电阻较大,但随着循环次数的增加,容量逐渐提高至石墨电极的正常水平,D E V P -G P E 与石墨电极的界面接触在循环过程中不断改善㊂循环次数为100圈时,D E V P -G P E 的比容量超过L E ,并且仍旧在升高,而L E 组装的电池容量下降非常明显㊂在750圈循环之前,D E V P -G P E 的容量几乎维持稳定,容量损失较小㊂并且L E 在循环后期(500圈循环)出现了循环容量值的陡降,无法正常运行㊂D E V P -G P E 的石墨半电池容量维持率明显高于L E ,并且循环后期也没有容量陡降现象,第1000圈时也依旧高达88.7%,明显高于L E (25.8%),库仑效率也接近100%,证明D E V P -G P E 与石墨阳极兼容性良好,无副反应的存在,展现出优异的长循环稳定性㊂图5 在25ħ下G r a ph i t e //D E V P -G P E //L i 和G r a ph i t e //L E //L i 电池的循环性能测试F i g .5 C y c l i n g p e r f o r m a n c e c u r v e s o f G r a ph i t e //D E V P -G P E //L i a n dG r a ph i t e //L E //L i b a t t e r i e s a t 25ħ表2 电解质在石墨半电池中的循环性能测试数据T a b l e 2 K e y d a t a o f c y c l e p e r f o r m a n c e f o rG r a ph i t e //L i b a t t e r i e s 样品首圈库仑效率前10圈比容量平均值(m A h㊃g -1)第100圈时充电比容量(m A h㊃g -1)第1000圈时充电比容量(m A h㊃g -1)L E84.83%233.1333.3303.4D E V P -G P E62.85%205.7333.285.3其次,本文组装了更加接近实际应用情况的L F P //D E V P -G P E //G r a p h i t e 软包全电池,测试结果为图6所示㊂图6(a )为电池循环容量-电压曲线图,观察曲线可以发现充电平台位于3.4V 附近㊂从图6(b )可知,首次放电容量为959.59m A h ,非常接近理论容量值(1A h ),表明L F P 正极和G r a ph i t e 负极的容量面密度设计比较合理㊂首圈循环库仑效率为88.89%,这是因为S E I 膜的形成会造成一部分容量损失㊂从第2圈开始,库仑效率均维持在99.7%以上,说明形成的S E I 膜非常稳定,且电池内部没有明显的副反应㊂容量维持率的高低能决定软包电池的使用寿命㊂软包电池在0.5C 倍率下第100次循环时的放电容量为813.96m A h,容量维持率高达80.2%㊂整个循环过程,平均库仑效率为171V o l .32N o .3李星军等:阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其在高安全锂离子电池中的应用99.73%㊂这得益于D E V P -G P E 较高的离子电导率和较低的活化能,较高离子电导率可保证电池在循环时欧姆极化较小㊂以上结果证明了电池的长循环稳定性较好,能够满足便携式柔性电子设备对于使用寿命的要求㊂图6 在25ħ下L F P //D E V P -G P E //G r a p h i t e 软包全电池的(a )循环充放电电压曲线和(b )循环性能测试F i g .6 (a )C h a r g e /d i s c h a r g e c u r v e s a n d (b )C y c l i n gp e r f o r m a n c e o f L F P //D E V P -G P E //G r a ph i t e p o u c h c e l l 2.3 大容量软包锂离子电池热失控研究目前,研究者对于电解质的火安全性能测试大多局限于扣式电池或者低容量软包电池[21,22],这些电池并不接近电池的实际应用情况,而且也无法准确揭示阻燃型电解质对电池安全性能提高的作用机理㊂因此,本文对满电荷(100%S O C )的L F P//D E V P -G P E //G r a ph i t e 软包电池进行过热测试,进一步探究D E V P -G P E 的安全性能,装置示意图如图8(a )㊂软包电池实际容量约为960m A h,能量密度为132.7W h ㊃k g -1,处于较高水平[23],危险系数较高,对D E V P -G P E 的热安全性能要求也更为苛刻㊂从图7(a )可以看到,D E V P -G P E 软包电池在过热测试中的前3分钟基本没有明显变化㊂在3:50时,电池开始膨胀,后续的10s 内电池鼓包非常明显㊂这归因于D E V P -G P E 只能减缓内部增塑剂的蒸发分解,蒸气的大量逸出使软包电池的外壳破裂,尤其是电池下方的两个极耳处㊂整个测试过程中,D E V P -G P E 电池没有出现明火,只是在4:10时冒出白烟㊂而对照组电池(图7(b ))在3:50时上面出现火焰,这是因为电解液受热蒸发分解,易燃的蒸气在电池突然破裂时发生燃烧㊂另外电池极耳处的破裂也导致电解液的不断泄漏,漏液问题很有可能导致非常严重的电池火灾甚至爆炸㊂图7 (a )D E V P -G P E 和(b )L E 的过热测试F i g .7 T h e o v e r h e a t i n gt e s t o f (a )D E V P -G P Ea n d (b )L E 通过对比测试过程中两组电池的电压与表面温度(T C 1),进一步分析电池的热失控过程㊂在图8(b)中,将整个过程分为四个阶段㊂第Ⅰ阶段,电池受到加热棒的加热,温度缓慢升高㊂在200s时,电池发生内短路㊂图8(d )显示L F P //L E//G r a ph i t e 电池的电压也突然下降至0V 左右㊂对应271火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第32卷第3期的L F P //L E //G r a ph i t e 电池表面温度约为80ħ,但电池内部温度是高于表面温度的㊂以上结果表明,L F P //L E //G r a ph i t e 电池内的隔膜受热融化,导致正负极直接接触,促使大量放热反应的发生[24]㊂相比之下,L F P //D E V P -G P E //G r a ph i t e 电池的第Ⅰ阶段延长了20s㊂这是因为在隔膜融化之后,D E V P -G P E 的聚合物基体还未到达其分解温度,基体能够起到隔开正负极的作用,从而推迟了电池内短路的发生㊂第Ⅱ阶段为电池热失控初期,大量的电解液与满电荷的正负极反应㊁正负极相互反应和隔膜的热解,导致了电池温度迅速升高,此时两组电池的温度差值也迅速升高(如图8(c )所示)㊂温度变化的差异是因为在该阶段液态电池内部的蒸气突然喷发造成的起火,而L F P //D E V P -G P E//G r a ph i t e 电池内的溶剂挥发受到D E V P -G P E 交联网络的限制,蒸气量更少,并没有被点燃㊂第Ⅲ阶段为电池的全面热失控,导致两组电池的温度差有所下降,但在300s 后依旧在上升,这说明L F P//L E //G r a p h i t e 电池热失控反应明显更加剧烈㊂在第Ⅳ阶段,加热棒停止加热,L F P //L E //G r a ph i t e 和L F P //D E V P -G P E //G r a ph i t e 电池的温度均开始下降㊂从图8(c )可以知道,L F P //D E V P -G P E//G r a ph i t e 电池在整个测试中的温度均低于L F P //L E //G r a ph i t e 电池,尤其是在320s 时,L E 温度比D E V P -G P E 高出144ħ㊂图8 (a )过热测试装置示意图;(b)电池表面温度随时间变化曲线;(c )电池表面温度差值随时间变化曲线;(d)电池电压的采集结果F i g .8 (a )S c h e m a t i c d i a g r a mo f t h e o v e r h e a t i n g t e s t d e v i c e .(b )T h e t e m pe r a t u r e -t i m e c u r v e s of L F P //L E //G r a p h i t e a n dL F P //D E V P -G P E //G r a ph i t e p o u c h c e l l .(c )T h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e nL F P //L E //G r a p h i t e a n dL F P //D E V P -G P E //G r a ph i t e p o u c h c e l l s .(d )T h e v o l t a g e c u r v e s o f L F P //L E //G r a p h i t e a n dL F P //D E V P -G P E //g r a ph i t e p o u c h c e l l s 2.4 D E V P -G P E 热降解过程研究由前文的过热测试可以知道,前期主要是电解液快速蒸发和分解,软包电池的外壳被胀破㊂抑制电解液的蒸发,可以延缓电池外包装的破裂,从而提高电池的安全性能㊂对比分析图9(a )中L E 与D E V P -G P E 的T G A 曲线,统计了对应温度下样品的重量损失率,这些数据列于表3中㊂根据空白组电池在过热测试中的关键时间点,液态电池发生破裂时的温度约为150ħ㊂相比较于L E ,150ħ时D E V P -G P E 的重量损失率更低㊂这说明D E V P -371V o l .32N o .3李星军等:阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其在高安全锂离子电池中的应用G P E 内部的增塑剂蒸发或热分解受到一定阻碍,所以剩余重量更高㊂根据图9(b )中D E V P -G P E 的D T G 曲线,认为DE V P -G P E 的热分解过程主要分为四个阶段㊂第Ⅰ阶段与L E 的D T G 结果接近,所以该阶段主要是电解液中碳酸酯溶剂的挥发和热降解,该阶段的失重率为29.3w t %,明显低于L E(34.96w t %)㊂可以看到,该阶段D E V P -G P E 的重量损失速率明显低于L E ,说明D E V P -G P E 可以有效抑制碳酸酯溶剂的挥发和热降解㊂第Ⅱ阶段的温度范围为68ħ~191ħ,电解液除了蒸发外,还存在溶剂和锂盐的热降解,因此L E 和D E V P -G P E 的重量损失速率升高㊂相较于L E ,第Ⅱ阶段D E V P -G P E 的D T G 峰位置向更高的温度移动㊂聚合物基体的热分解温度(T 5w t %)为265.9ħ,其第一个热降解阶段与D E V P -G P E 的第Ⅲ阶段有部分重合,因此第Ⅲ阶段是聚合物基体与电解液同步热分解㊂第Ⅲ阶段的重量损失率为14.72w t %,这是因为大部分电解液已经热降解完㊂第Ⅳ阶段与聚合物基体的第二个热降解阶段基本重合,D E V P -G P E 的失重率仅有3.91w t %,表明该阶段基本上是聚合物基体的炭化㊂整个热降解过程中,L E 在200ħ之前就基本热失重完全(约92.0w t %),而D E V P -G P E 在200ħ时的剩余重量为22.6w t %㊂这说明即使第Ⅰ㊁Ⅱ阶段仅有增塑剂的失重,也至少有14.6w t %的增塑剂被D E V P -G P E 交联网络所截留,再次证实D E V P -G P E 对增塑剂的挥发和热分解有很好的阻碍作用,从而提高电池的火安全性能㊂D E V P -G P E 蒸气的缓慢逸出和磷自由基的释放是其在过热测试中不起火的重要原因㊂表3 L E ,D E V P -G P E 和聚合物基体的T G A 测试数据T a b l e 3 T G Ad a t a o f L E ,D E V P -G P Ea n dP o l ym e rM a t r i x 样品T 5w t %(ħ)T m a x 1(ħ)T m a x 2(ħ)700ħ时残炭率200ħ时重量L E28.0104.8/2.1w t %8.0w t %D E V P -G P E 39.5153.4214.35.4w t %22.6w t %聚合物基体265.9302.1347.237.6w t %98.1w t%图9 样品的(a )T G A 和(b )D T G 曲线F i g .9 (a )TG Ac u r v e s a n d (b )D T Gc u r v e s o f s a m pl e s 3 结论本文通过乙烯基膦酸二乙酯和季戊四醇四丙烯酸酯单体间的热引发原位聚合制备了用于锂离子电池的阻燃凝胶聚合物电解质(D E V P -G P E ),具体结论如下:(1)D E V P -G P E 具有良好的阻燃性能和电化学性能:离子电导率为0.54m S ㊃c m -1;被火焰持续点燃5s 后,自熄时间仅为1.5s ,而商业电解液被点燃后便维持剧烈燃烧的状态㊂(2)石墨//D E V P -G P E //L i 半电池在0.5C 倍率下循环1000次的容量维持率高达88.7%,远高于商业电解液(25.8%);L F P //D E V P -G P E//G r a ph i t e 软包锂离子电池在0.5C 倍率下循环100471火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第32卷第3期次的容量维持率高达80.2%,平均库仑效率为99.73%,具有优异的长循环稳定性㊂(3)1A h软包全电池的过热测试中,阻燃型D E V P-G P E不起火只冒烟,且不漏液,而商业液态电池出现漏液,并且测试中电池上方有火焰㊂(4)T G A测试结果表明,至少有14.6w t%的增塑剂被D E V P-G P E的交联网络所截留,证明D E V P-G P E对增塑剂的挥发和热分解有很好的阻碍作用,从而提高电池的火安全性能㊂参考文献[1]C h o i JW,A u r b a c hD.P r o m i s e a n d r e a l i t y o f p o s t-l i t h-i u m-i o n b a t t e r i e sw i t h h i g h e n e r g y d e n s i t i e s[J].N a t u r e R e v i e w sM a t e r i a l s,2016,1(4):16013. [2]L i a oC,M uX W,H a nLF,L i ZR,Z h uYL,L u J Y,W a n g HJ,S o n g L,K a nYC,H uY.Af l a m e-r e-t a r d a n t h i g h i o n i c-c o n d u c t i v i t y a n de c o-f r i e n d l y s e p a r a-t o r p r e p a r e d b y p a p e r m a k i n g m e t h o d f o r h i g h-p e r f o r m-a n c e a n d s u p e r i o r s a f e t y l i t h i u m-i o n b a t t e r i e s[J].E n e r-g y S t o r a g eM a t e r i a l s,2022,48:123-132.[3]T o n g B,S o n g ZY,W u H,W a n g X X,F e n g W F, Z h o uZB,Z h a n g H.I o n t r a n s p o r t a n ds t r u c t u r a l d e-s i g no fl i t h i u m-i o nc o n d u c t i v es o l i d p o l y m e re l e c t r o-l y t e s:a p e r s p e c t i v e[J].M a t e r i a l sF u t u r e s,2022,1(4):042103.[4]G o o d e n o u g h J B,K i m Y.C h a l l e n g e s f o r r e c h a r g e a b l e l ib a t t e r i e s[J].C h e m i s t r y o f M a t e r i a l s,2010,22(3): 587-603.[5]Z e n g ZQ,M u r u g e s a nV,H a nKS,J i a n g XY,C a oY L,X i a oLF,A iXP,Y a n g H X,Z h a n g JG,S u s h-k o M L,L i uJ.N o n-f l a m m a b l ee l e c t r o l y t e sw i t hh i g h s a l t-t o-s o l v e n t r a t i o s f o rL i-i o na n dL i-m e t a lb a t t e r i e s [J].N a t u r eE n e r g y,2018,3(8):674-681. [6]Y uH,M uX W,Z h uYL,L i a oC,H a nLF,W a n g JW,C a iW,K a nYC,S o n g L,H uY.S a n d w i c h s t r u c-t u r e d u l t r a-s t r o n g-h e a t-s h i e l d i n g a e r o g e l/c o p p e rc o m-p o s i t ei n s u l a t i o n b o a r df o rs a f el i t h i u m-i o n b a t t e r i e s m o d u l e s[J].J o u r n a l o fE n e r g y C h e m i s t r y,2023,76: 438-447.[7]F a nXY,Z h o n g C,L i u J,D i n g J,D e n g YD,H a nX P,Z h a n g L,H uW B,W i l k i n s o n DP,Z h a n g J J.O p-p o r t u n i t i e s o f f l e x i b l e a n d p o r t a b l e e l e c t r o c h e m i c a l d e-v i c e s f o r e n e r g y s t o r a g e:E x p a n d i n g t h e s p o t l i g h t o n t o s e m i-s o l i d/s o l i d e l e c t r o l y t e s[J].C h e m i c a l R e v i e w s, 2022,122(23):17155-17239.[8]M uX W,L i X J,L i a o C,Y uH,J i nY,Y u B,H a nL F,C h e nLK,K a nYC,S o n g L,H uY.P h o s p h o r u s-f i x e d s t a b l e i n t e r f a c i a l n o n f l a m m a b l e g e l p o l y m e r e l e c-t r o l y t ef o rs a f ef l e x i b l e l i t h i u m-i o nb a t t e r i e s[J].A d-v a n c e dF u n c t i o n a lM a t e r i a l s,2022,32(35):2203006-2203016.[9]L i Z,W e n g S T,F uJL,W a n g X X,Z h o u X Y, Z h a n g QH,W a n g XF,W e i L,G u oX.N o n f l a m m a b l e q u a s i-s o l i d e l e c t r o l y t e f o r e n e r g y-d e n s e a n d l o n g-c y c l i n g l i t h i u m m e t a lb a t t e r i e sw i t hh i g h-v o l t a g e N i-r i c hl a y-e r e d c a t h o d e s[J].E n e r g y S t o r a g eM a t e r i a l s,2022,47: 542-550.[10]W a n g X M,Y a s u k a w aE,K a s u y aS.N o n f l a m m a b l e t r i m e t h y l p h o s p h a t es o l v e n t-c o n t a i n i n g e l e c t r o l y t e s f o r l i t h i u m-i o n b a t t e r i e s:I.f u n d a m e n t a l p r o p e r t i e s[J]. J o u r n a l o f T h e E l e c t r o c h e m i c a l S o c i e t y,2001,148(10): A1058-A1065.[11]M aYL,Q i n B S,D uXF,X uG J,W a n g DM,W a n g J,Z h a n g J J,Z h a o JW,S u Z,C u i GL.D e l i c a t e l y t a i-l o r e d t e r n a r y p h o s p h a t e e l e c t r o l y t e p r o m o t e s u l t r a s t a b l e c y c l i n g o fN a3V2(P O4)2F3b a s e d s o d i u m m e t a l b a t t e r-i e s[J].A C SA p p l i e dM a t e r i a l s&I n t e r f a c e s,2022,14(15):17444-17453.[12]H y u n g Y E,V i s s e r sD R,A m i n eK.F l a m e-r e t a r d a n ta d d i t i v e s f o r l i t h i u m-i o nb a t t e r i e s[J].J o u r n a l o f P o w e r S o u rc e s,2003,119-121:383-387.[13]F e n g JK,M a P,Y a n g HX,L uL.U n d e r s t a n d i n g t h ei n t e r a c t i o n s o f p h o s p h o n a t e-b a s e d f l a m e-r e t a r d i n g a d d i-t i v e sw i t h g r a p h i t i c a n o d e f o r l i t h i u mi o nb a t t e r i e s[J].E l e c t r o c h i m i c aA c t a,2013,114:688-692.[14]W a n g W,L i a oC,L i uLX,C a iW,Y u a nY,H o uY B,G u oW W,Z h o uX,Q i uSL,S o n g L,K a nYC, H uY.C o m p a r a b l e i n v e s t i g a t i o n o f t e r v a l e n t a n d p e n t a-v a l e n t p h o s p h o r u s b a s e d f l a m e r e t a r d a n t s o n i m p r o v i n g t h es a f e t y a n d c a p a c i t y o fl i t h i u m-i o n b a t t e r i e s[J]. J o u r n a l o f P o w e r S o u r c e s,2019,420:143-151. [15]T a n S J,Y u e J P,T i a nYF,M aQ,W a n J,X i a oY, Z h a n g J,Y i nY X,W e nR,X i nS,G u oY G.I n-s i t u e n c a p s u l a t i n g f l a m e-r e t a r d a n t p h o s p h a t ei n t o r o b u s t p o l y m e rm a t r i x f o r s a f e a n d s t a b l e q u a s i-s o l i d-s t a t e l i t h-i u m m e t a l b a t t e r i e s[J].E n e r g y S t o r a g e M a t e r i a l s, 2021,39:186-193.[16]J i aH,O n i s h iH,W a g n e rR,W i n t e rM,C e k i c-L a s k-o v i c I.I n t r i n s i c a l l y s a f e g e l p o l y m e r e l e c t r o l y t e c o m p r i-571V o l.32N o.3李星军等:阻燃凝胶聚合物电解质的制备及其在高安全锂离子电池中的应用s i n g f l a m e-r e t a r d i n g p o l y m e r m a t r i xf o rl i t h i u m i o n b a t t e r y a p p l i c a t i o n[J].A C SA p p l i e d M a t e r i a l s&I n-t e r f a c e s,2018,10(49):42348-42355. [17]S h e nZC,Z h o n g JW,J i a n g SY,X i eW H,Z h a nS Y,L i nKJ,Z e n g LY,H uHL,L i nG u i d e,L i nYH, S u n SH,S h i ZC.P o l y a c r y l o n i t r i l e p o r o u sm e m b r a n e-b a s e d g e l p o l y m e r e l e c t r o l y t e b y i n s i t u f r e e-r a d i c a l p o l-y m e r i z a t i o n f o r s t a b l eL im e t a l b a t t e r i e s[J].A C SA p-p l i e dM a t e r i a l s&I n t e r f a c e s,2022,14(36):41022-41036.[18]Z h u JD,Z h a n g Z,Z h a o S,W e s t o v e rAS,B e l h a r o u a k I,C a oPF.S i n g l e-i o n c o n d u c t i n gp o l y m e r e l e c t r o l y t e s f o r s o l i d-s t a t e l i t h i u m–m e t a l b a t t e r i e s:D e s i g n,p e r-f o r m a n c e a n d c h a l l e n g e s[J].A d v a n c e dE n e r g y M a t e r i-a l s,2021,11(14):2003836-2003853.[19]D a g g e rT,R a dB R,S c h a p p a c h e rF M,W i n t e r M.C o m p a r a t i v e p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no f f l a m e r e t a r d a n t a d d i t i v e s f o r l i t h i u m i o n b a t t e r i e s–I.s a f e t y,c h e m i c a l a n d e l e c t r o c h e m i c a l s t a b i l i t i e s[J].E n e r g y T e c h n o l o g y, 2018,6(10):2011-2022.[20]H o u JX,F e n g XN,W a n g L,L i uX,O h m aA,L uL G,R e nDS,H u a n g W S,L iY,Y iM C,W a n g Y, R e n JQ,M e n g ZH,C h u ZY,X uGL,A m i n e K,H eX M,W a n g H W,N i t t aY,O u y a n g M G.U n l o c k i n g t h e s e l f-s u p p o r t e d t h e r m a l r u n a w a y o f h i g h-e n e r g y l i t h-i u m-i o n b a t t e r i e s[J].E n e r g y S t o r a g eM a t e r i a l s,2021, 39:395-402.[21]L o n g M C,W a n g T,D u a nP H,G a oY,W a n g XL,W uG,W a n g Y Z.T h e r m o t o l e r a n t a n df i r e p r o o f g e l p o l y m e re l e c t r o l y t e t o w a r dh i g h-p e r f o r m a n c ea n ds a f e l i t h i u m-i o nb a t t e r y[J].J o u r n a l o fE n e r g y C h e m i s t r y, 2022,65:9-18.[22]H a nLF,L i a oC,M uX W,W uN,X uZM,W a n g JW,S o n g L,K a nYC,H uY.F l a m e-r e t a r d a n tA D P/ P E O s o l i d p o l y m e re l e c t r o l y t ef o rd e n d r i t e-f r e ea n d l o n g-l i f e l i t h i u m b a t t e r y b yg e n e r a t i n g A l,P-r i c hS E I l a y e r[J].N a n oL e t t e r s,2021,21(10):4447-4453.[23]Y a n g CY,J i X,F a nXL,G a oT,S u o LM,W a n g F, S u n W,C h e nJ,C h e nL,H a nFD,M i a oL,X uK, G e r a s o p o u l o sK,W a n g CS.F l e x i b l ea q u e o u sL i-I o n b a t t e r y w i t h h i g he n e r g y a n d p o w e r d e n s i t i e s[J].A d-v a n c e dM a t e r i a l s,2017,29(44):1701972-1701979.[24]F e n g XN,R e nDS,H eX M,O u y a n g M G.M i t i g a-t i n g t h e r m a lr u n a w a y o fl i t h i u m-i o n b a t t e r i e s[J]. J o u l e,2020,4(4):743-770.F l a m e-r e t a r d a n t g e l p o l y m e r e l e c t r o l y t e f o r s a f e l i t h i u m-i o n b a t t e r i e sL I X i n g j u n,M UX i a o w e i,K A NY o n g c h u n,S O N GL e i,H U Y u a n(S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f F i r e S c i e n c e,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o f C h i n a,H e f e i230026,C h i n a)A b s t r a c t:T h e i n s u f f i c i e n c y o f s a f e t yp e r f o r m a n c ec a n n o t f u l l y m e e t t h ed e v e l o p m e n t r e q u i r e m e n t sf o rh i g he n e r g y d e n s i t y l i t h i u m-i o n b a t t e r i e s.T o s o l v e t h e s a f e t y p r o b l e m,p h o s p h o r u s-f i x e d f l a m e-r e t a r d a n t g e l p o l y m e r e l e c t r o l y t e(D E V P-G P E)h a sb e e n p r e p a r e db y i n-s i t u p o l y m e r i z a t i o no fd i e t h y lv i n y l p h o s p h o n a t ea n d p e n t a e r y t h r i t o l t e t r a ac r y l a t ea st h ea l t e r n a t i v et oc o n v e n t i o n a l e l e c t r o l y t e s.N o t a b l y,t h e c a p a c i t y r e t e n t i o nr a t eo f g r a p h i t e//D E V P-G P E//L i(88.7%)i sm u c hh i g h e r t h a n g r a p h i t e//l i q u ide l e c t r o l y t e//L i(25.8%).A l s o,t h e c a p a c i t y r e t e n t i o n r a t e of L F P//D E V P-G P E//g r a phi t e i s80.2%f o r100 c y c l e s a t0.5C a n d t h e a v e r a g e c o l u m b i a e f f i c i e n c y i s99.73%.A f t e r b e i n g i g n i t e d b y f i r e f o r>5s,t h e s e l f-e x t i n g u i s h i n g t i m e o f D E V P-G P E i s o n l y1.5s.B e s i d e s,n o f i r e a n d e l e c t r o l y t e l e a k a g e o c c u r r e d d u r i n g t h e o v e r h e a t i n g t e s t f o r t h e p h o s p h o r u s-c o n t a i n i n g D E V P-G P E-b a s e d p o u c hc e l lw i t hac a p a c i t y o f1A h.T h e r e f o r e,t h i sD E V P-G P E d e l i v e r sas u p e r i o rs a f e t y p e r f o r m a n c e b y h i n d e r i n g e l e c t r o l y t ev a p o r sv o l a t i l i z a t i o na n d g e n e r a t i n gp h o s p h o r u s-c o n t a i n i n g r a d i c a l sd e c o m p o s e db y d i e t h y l v i n y l p h o s p h o n a t e t o p r e v e n t s u b s e q u e n t r e a c t i o n s.K e y w o r d s:G e l p o l y m e r e l e c t r o l y t e;F l a m e r e t a r d a n t;L i t h i u m-i o n b a t t e r i e s;C y c l i n g p e r f o r m a n c e671火灾科学F I R ES A F E T YS C I E N C E第32卷第3期。
聚三苯胺及其衍生物在锂离子电池领域的应用研究
聚三苯胺及其衍生物在锂离子电池领域的应用研究摘要：聚三苯胺的分子结构具有高导电率的聚（对苯）结构和高能量密度的苯胺单元结构，因而具有高能量密度和高功率密度，聚三苯胺及其衍生物、聚三苯胺与锂基过渡金属氧化物的复合物作为锂离子电池正极材料具有广泛应用。
关键词：聚三苯胺，正极材料，锂离子电池锂离子电池的正式研究开始于20世纪80年代，1980年，Armand M等[1]首次提出摇椅式电池（Rocking Chair Batteries）的概念，即用两个能储锂的材料为正负极，并且成功地组装了不含金属锂的锂二次电池。
目前，商用较多的锂离子电池正极材料为锂基过渡金属氧化物：LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4和LiCoO2，但是由于过渡金属价格昂贵，部分过渡金属氧化物制备困难、导电性差等缺陷，因而需要寻找新的正极材料。
有机聚合物作为一种新型的锂离子电池正极材料具有能量密度高、原材料资源丰富、可以灵活设计结构等优点。
更重要的是有机聚合物正极材料具有可降解再生的特性，是一种环境友好型材料。
其中，聚三苯胺由于分子结构具有高导电率的聚（对苯）结构和高能量密度的苯胺单元结构，而具有高能量密度和高功率密度，在锂离子电池领域中具有重要应用。
1、聚三苯胺正极材料姜姗姗[2]采用0.25mol的TPAn和100mL的氯仿（chloroform）相溶，然后将相溶液体倒入三颈圆底烧瓶中，充分搅拌，在搅拌的过程中，把三氯化铁（ferric chloride）缓缓加入到三颈圆底烧瓶中, 在常规室温中静放6个小时，将所得产物倒入500mL~800mL的甲醇（methanol）试剂中，让聚合物静放沉淀，最后进行抽滤、洗涤制备得到聚三苯胺。
通过运用化学氯化聚合法制备成的锂离子电池正极材料聚三苯胺，在1mol/L LiPF6/EC+DME电解溶液中其可逆性是传统活性材质无法达到的。
并且通过实验分析可得其循环性能也很稳定，聚三苯胺作为锂离子电池正极材料，具有更高效更稳定的特点，值得运用推广。
聚合物材料的合成及其在电子器件中的应用
聚合物材料的合成及其在电子器件中的应用一、聚合物材料的基本概念和分类聚合物是一种由单体分子通过聚合重复单元构成的高分子物质，具有高分子量、高分子链长和化学稳定性等特征。
聚合物材料是一类以聚合物为主要成分的材料，其物理化学性能与结构密切相关。
聚合物材料可以分为天然聚合物和合成聚合物两大类。
其中天然聚合物主要指生物大分子如蛋白质、核酸、多糖等；合成聚合物则是指通过化学反应合成的聚合物材料，包括热塑性聚合物、热固性聚合物、弹性体、塑料等。
二、聚合物材料的合成方法聚合物合成方法包括自由基、阳离子、阴离子、离子对等反应机理。
其中自由基聚合是最常用的聚合方法，反应过程需要引入自由基引发剂，将单体转化成活性自由基，并通过自由基聚合将单体链接成为高分子。
另外，聚合物也可以通过环氧化反应、酶催化反应、自由基半反应等方法进行合成。
这些方法获得的聚合物链结构不同，具有不同的物理化学性质和应用性能。
三、聚合物材料在电子器件中的应用聚合物材料在电子器件中的应用主要包括聚合物电解质、有机电场效应晶体管、有机发光二极管、聚合物太阳能电池等领域。
1.聚合物电解质聚合物电解质是一种高分子材料，在锂离子电池、超级电容器领域中得到了广泛应用。
这种电池以聚合物作为电解质，锂离子在正负极间存储释放，实现电能的储存和释放。
2.有机电场效应晶体管有机电场效应晶体管又称有机场效应晶体管，是一种利用有机聚合物薄膜为载流子传输材料的半导体器件。
这种器件具有自承式结构、低成本和高可制作性等优势，可应用于柔性电子器件、LCD显示、光电调制等领域。
3.有机发光二极管有机发光二极管是一种新型半导体材料，具有高亮度、高对比度、可制备大面积、柔性等特点。
在显示技术、光电化学传感器、照明等领域展现出了广阔的应用前景。
4.聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池是一种利用有机聚合物材料构建太阳能电池的一类器件。
与传统硅基太阳能电池相比，聚合物太阳能电池具有可制备低成本、柔性、高效率等优缺点。
聚合物电解质在锂离子电池中的应用
聚合物电解质在锂离子电池中的应用锂离子电池作为一种可充电电池，逐渐被应用于移动通信设备、电动汽车等领域。
在锂离子电池中，电解液是一个至关重要的部分，因为它提供了离子流通的通道。
传统电解质是有机物，但是有机物电解质往往具有燃烧性、挥发性等缺陷，而且存在安全隐患。
为了解决这些问题，聚合物电解质被提出并应用于锂离子电池中，它的优异性质使得其成为一种非常有前途的电解质材料。
一、聚合物电解质的特点聚合物电解质是一种由高分子聚合物构成的电解质，其最大的优点就是安全性高。
传统有机物电解质极易导致电池的短路、爆炸等事故，而聚合物电解质不易燃、不挥发，可以有效降低电池发生意外的概率。
此外，聚合物电解质对锂离子的导电性能也非常好，可以使锂离子在正、负极之间更快速地传递，从而提高了电池的效率。
另外，聚合物电解质的化学稳定性强，具有长寿命、高温稳定性等特点。
二、聚合物电解质的制备方法聚合物电解质的制备方法主要有两种，分别是溶液浸渍法和固相聚合法。
溶液浸渍法是先将聚合物溶解在特定的溶剂中，然后再将其浸渍到纳米级导电剂或纳米孔壳中。
这样一来，纳米级导电剂便成为了聚合物电解质的导电通道。
固相聚合法是将聚合物单体固体化，然后使用高温等条件，使单体分子之间发生反应，形成聚合物。
这种方法比较适用于制备高分子电解质薄膜。
聚合物电解质的制备方法比较简单，可以通过选择合适的单体、溶剂等材料来控制聚合物的结构和性能。
三、聚合物电解质在锂离子电池中的应用聚合物电解质在锂离子电池中的应用主要是指高分子固态电解质薄膜的应用。
由于聚合物电解质具有较好的导电性和化学稳定性等特点，因此用于制备锂离子电池的薄膜电解质，可以大大提高电池的安全性和耐用性。
聚合物电解质可以应用于锂离子电池的各个部分，例如负极、正极和电解液部分等。
其中，聚合物电解质在负极的应用比较广泛，主要是在石墨负极和硅负极中应用。
关于聚合物电解质在锂离子电池中的应用还有许多研究问题，例如聚合物电解质的质量检测、制备过程的优化等。
导电聚合物在锂离子电池正极上的应用
导电聚合物在锂离子电池正极上的应用一、锂离子电池简介锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。
在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。
【1】锂离子电池可依电解质及正负极材料有无高聚物，分为液态锂离子电池(Liquified Lithium-Ion Battery，简称为LIB)和聚合物锂离子电池(Polymer Lithium-Ion Battery，简称为PLB)。
但目前主流的，商用的聚合物锂离子电池并没有使用导电高聚物作为电极材料，而是利用了聚合物凝胶电解质，另外高分子材料在锂离子电池上的应用还有将电池正负极板分开的隔膜。
【2】二、聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池可分为三类：（1）固体聚合物电解质锂离子电池。
电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。
（2）凝胶聚合物电解质锂离子电池。
即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。
（3）聚合物正极材料的锂离子电池。
采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。
【3】1、锂离子电池三类主要正极材料的比较（从左至右）：[4]与液态锂离子电池相比，聚合物锂离子电池不但安全性高，同时还具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点。
不过，其低温放电性能可能还有提升的空间（比如apple devices在冬天有时无法启动），而且造价较贵。
2、锂离子电池在主流电子产品上的应用【5】iphone 4 Li-ion Polymer Batteryiphone 5s Li-ion Polymer Batteryipod touch 5 Li-ion Polymer Batteryipad air[注] Li-ion Polymer Batteryipad mini2[注] Li-ion Polymer Batteryipad mini Li-ion Polymer Batteryipad 4 Li-ion Polymer Battery[注]:ipad air和ipad mini2的拆解图显示电池为Li-ion Battery，但苹果官方材料为Li-ion Polymer Battery由此可见，聚合物锂离子电池在高端便携设备上应用很广。
三元锂电池和聚合物锂电池
三元锂电池和聚合物锂电池一、三元锂电池三元锂电池又被称作三元聚合物锂电池，是国内生产量最大的一种锂电池类型。
因为这种电池的形状接近圆形，因此被俗称为圆形电池。
其有容量大、寿命长、稳定性好的优点，并且电压的输出范围广，常被用于电动车、电动工具等设备的大规模使用。
三元锂电池的正极材料使用镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂，通过混合一定比例的电解液，在电池内部充放电的过程中，锂离子从正极经过电解液或者隔膜嵌入到负极，与此同时，电子通过外部电路传递到负极，形成电流。
在化学反应中，正极上的电子和负极上的离子是同时存在的，因此电池的输出电压与反应的平衡常数有关。
然而，三元锂电池也存在一些缺点。
如果电池过充或者过放，会使正极材料中的镍、钴、锰等元素分解，释放出氧气和氢气，导致电池的容量降低，甚至电池的内部短路，引发安全问题。
此外，三元锂电池的造价较高，并且电池的单体电压为3.7V，是常见的一种锂电池。
在电动汽车中，三元锂电池被广泛使用。
其具有高能量密度、高循环寿命、高倍率放电等优点，并且成本较低。
在充电过程中，电池管理系统会对电池进行温度和电压的监测，防止过充和过放的情况发生。
二、聚合物锂电池聚合物锂电池也称为高分子锂电池，使用高分子材料作为电池的正负极。
这种电池的形状可以灵活多变，因此被广泛应用于各种电子产品中。
其具有轻便、可弯曲、体积小、能量密度高等优点，因此在便携式电子设备、笔记本电脑、摄像机等设备中得到了广泛应用。
聚合物锂电池的正极材料通常使用锂金属配合高分子导电材料，负极材料为碳材或者硅材等。
其工作原理与传统的锂电池类似，但在充放电过程中，锂离子在正负极之间移动时不需要通过隔膜，因此提高了电池的效率和可靠性。
然而，聚合物锂电池也存在一些缺点。
由于其采用高分子材料作为正负极，因此电池的充放电效率较低，通常只有80%-85%左右。
此外，电池的成本也较高，并且在大电流充放电时容易出现发热和膨胀等问题。
为了提高聚合物锂电池的性能和可靠性，科研人员不断进行研究和改进。
聚合物电解质在锂离子电池中的应用探究
聚合物电解质在锂离子电池中的应用探究锂离子电池使用了一种叫做聚合物电解质的新材料，这种材料比传统的液态电解质更为稳定可靠。
目前，聚合物电解质已经被广泛用于电池领域，成为了新一代锂离子电池的主流选材之一。
本文将从聚合物电解质的基本特性入手，探讨其在锂离子电池中的应用。
一、聚合物电解质的基本特性聚合物电解质是一种由高分子材料构成的电解质，它具有一系列优越的物理化学特性。
首先，聚合物电解质具有优良的导电性能，其离子传输速度快，耐高温、耐化学药品侵蚀等特性，使得它比传统的有机液态电解质更为稳定可靠。
与此同时，聚合物电解质具有高的阻燃性能和电化学稳定性，其更广泛地可应用于电池组件中，提高了电池的性能。
二、聚合物电解质的应用在锂离子电池领域，聚合物电解质的应用已经逐渐成为主流。
具体来讲，聚合物电解质主要应用于电池的导电介质和隔离膜，这样既能够提供通道供锂离子传输，同时避免金属离子短路和提高电池输出功率。
1. 导电介质聚合物电解质作为一种电解质材料，具有优良的导电性，可被用于制造锂离子电池的导电介质。
与此同时，聚合物电解质还具有低阻性、高电场容忍能力、高的红外透明性等一系列的特性。
因此，聚合物电解质可以用于电容器、锂离子电池等众多电子设备中。
2. 隔离膜除了导电介质，聚合物电解质还可用于锂离子电池的隔离膜。
聚合物电解质具有高的化学稳定性和低导体阻抗、高的离子传输速度等特性，因此可被用来制作高性能的隔离膜，从而确保电池组件的正常运行。
同时，聚合物电解质还可以具有高的温度和电压容忍度，使得电池的较高的输出功率成为了可能。
三、聚合物电解质在锂离子电池中存在的挑战由于聚合物电解质具有高的阻燃性能和电化学稳定性，是新一代锂离子电池的主流选材之一。
但是，在使用聚合物电解质的过程中，还是会遇到一些挑战。
首先，聚合物电解质容易老化，因此需要寿命更长的结构设计。
其次，聚合物电解质本身的机械性能并不理想，因此需要结合优良的支撑材料，如纳米表面等，来解决材料的稳定性问题。
聚合物电解质在电池中的应用
聚合物电解质在电池中的应用聚合物电解质是指将高分子化合物作为电化学电池中的离子导体的一种电解质。
相比于传统的液体电解质，聚合物电解质具有许多优点，如更高的离子导电率、更好的机械稳定性和更低的挥发性等。
因此，聚合物电解质被广泛应用于锂离子电池、超级电容器和燃料电池等领域，成为了新一代电池材料之一。
1. 聚合物电解质在锂离子电池中的应用锂离子电池是目前最广泛使用的可充电电池，可以用于移动设备、电动汽车、能源存储等领域。
传统的锂离子电池采用液态电解质，但存在很多问题，如安全性和机械稳定性等。
聚合物电解质因其更高的离子导电率和机械稳定性等优点，被广泛应用于锂离子电池中。
聚合物电解质的离子导电性能与其分子结构密切相关。
常用的聚合物电解质有聚乙烯氧化物（PEO）、聚丙烯腈（PAN）和聚偏氟乙烯（PVDF）等。
其中，PEO是一种常见的聚合物电解质，具有优异的离子导电性能和机械稳定性。
PEO电解质的离子导电性能可以通过添加离子液体或锂盐等方式进一步提升。
除了PEO电解质，还有一种新型的聚合物电解质——聚合物固体电解质。
聚合物固体电解质是指以聚合物为主要材料的固态电解质，具有更高的离子导电性能和更好的机械稳定性。
聚合物固体电解质可以增强电池的安全性和稳定性，是一种具有广阔应用前景的电解质材料。
2. 聚合物电解质在超级电容器中的应用超级电容器是一种新型的储能设备，具有比传统电池更高的功率密度和更短的充电时间。
超级电容器采用了聚合物电解质，可以大大提高电池的储能效率和循环寿命。
聚合物电解质在超级电容器中被广泛应用，可以有效提高电池的能量密度和功率密度。
聚合物电解质的离子导电性能决定着电池的性能，因此，研究和开发高性能的聚合物电解质材料是提高超级电容器性能的关键。
3. 聚合物电解质在燃料电池中的应用燃料电池是一种将氢气或其他氢化物作为燃料，通过电化学反应产生电能的设备。
聚合物电解质在燃料电池中被广泛应用，可以大大提高电池的稳定性和性能。
聚合物电解质材料的研究与应用
聚合物电解质材料的研究与应用聚合物电解质材料是指聚合物与电解质混合物相结合的材料，通常被用作锂离子电池等新型电池的电解质。
聚合物电解质材料在电子设备、交通工具和航空航天，以及医疗等领域中都有着广泛的应用。
有鉴于此，聚合物电解质材料的研究与应用也变得越来越重要。
本文将从聚合物电解质材料的定义入手，介绍其研究与应用现状，并通过分析聚合物电解质材料的优缺点，探讨其未来的发展前景。
一、聚合物电解质材料的定义聚合物电解质材料是指聚合物与电解质混合后，形成的一类材料。
电解质是指在溶液中能溶解成离子的物质，通常聚合物电解质材料的电解质为锂盐，而聚合物则可以是丙烯酸酯类、亲水亲油单体等不同的聚合物。
聚合物电解质材料和传统的无机电解液相比，具有以下优点：1、更高的锂离子传导率和离子导电度。
2、更好的耐热性和化学稳定性。
3、不易泄漏和腐蚀性较低，较为安全。
二、聚合物电解质材料的研究与应用现状1、研究现状目前，聚合物电解质材料的研究主要集中于以下几个方面：（1）聚合物电解质材料的基础物性研究包括其物理性质、化学性质、导电性质等。
（2）聚合物电解质材料的制备与合成以提高材料的性能和降低成本为目标。
（3）聚合物电解质材料的安全性研究以避免由于电池发生过热、燃烧、爆炸等事故。
（4）聚合物电解质材料的理论计算研究以探索新的材料和提高聚合物电解质材料的性能。
2、应用现状聚合物电解质材料目前主要应用于以下领域：（1）新型电池如锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等。
（2）柔性电子如可弯曲电子设备、智能手机等。
（3）电子荧光显示如OLED、柔性显示等。
（4）医疗及航空航天领域如人工器官、无线充电等。
三、聚合物电解质材料的优缺点1、优点（1）能够实现高时效性能聚合物电解质材料的电导率高，离子传输速度快，能够实现高的时效性能，从而提高电池的性能。
（2）能够提高电池的安全性相对于传统的液态电解质，聚合物电解质材料的不易泄漏、腐蚀性低等特性，能够提高电池的安全性，从而降低电池的危险系数。
聚合物基电解质在锂离子电池中的应用
聚合物基电解质在锂离子电池中的应用在现代科技中，锂离子电池是一种重要的储能设备，被广泛应用于电子设备、电动汽车、太阳能和风力发电中。
而聚合物基电解质则是锂离子电池中的重要组成部分，它可以提高锂离子电池的安全性、电化学性能和寿命。
本文将会介绍聚合物基电解质在锂离子电池中的应用以及目前的研究进展。
1. 聚合物基电解质在锂离子电池中的作用聚合物基电解质可以提高锂离子电池的安全性和稳定性。
由于传统的有机溶剂电解质具有挥发性、易燃性和爆炸性等缺点，因此研究人员开始关注更加安全的聚合物基电解质。
聚合物基电解质的主要成分是聚合物和盐，其中聚合物通常选择高分子材料，如聚乙烯醇、聚丙烯酸乙酯等。
此外，聚合物基电解质还可以提高锂离子电池的电化学性能。
聚合物基电解质可以提高锂离子电池的离子传导性能，增加电池的能量密度和功率密度。
因此，聚合物基电解质可以提高锂离子电池的循环性能和使用寿命。
2. 目前的研究进展目前，聚合物基电解质已经被广泛应用于锂离子电池中，并且在逐步发展和完善。
在聚合物基电解质的化学结构方面，不断有新的合成方式和合成材料的开发。
例如，有学者利用纳米技术制备了一种新型聚合物基电解质，并发现该材料具有极高的离子传导性能和热稳定性。
在电池的设计方面，限制锂离子电池在高温下工作的主要原因之一是电解液的热稳定性不高。
为了提高锂离子电池在高温下的性能，许多学者选择研究具有高热稳定性的聚合物基电解质。
此外，利用聚合物基电解质作为水凝胶电解质也是一种新的研究方向。
水凝胶电解质可以通过将水分子与聚合物材料结合在一起来构建，可以提高锂离子电池的安全性和稳定性。
3. 未来的发展方向随着新型电子设备和新能源车辆的不断出现，人们对安全、高效、环保的储能设备的需求不断增加。
因此，聚合物基电解质将会在未来得到更加广泛的应用和发展。
在聚合物基电解质的设计方面，需要进一步提高其热稳定性、耐久性和电化学反应速率。
此外，可以通过调节聚合物的结构和盐的浓度来改善聚合物基电解质的性能。
高分子材料在电池领域中的应用研究
高分子材料在电池领域中的应用研究近年来，电池技术的发展迅猛，以应对日益增长的能源需求和环境保护的要求。
其中，高分子材料在电池领域中的应用研究成为备受关注的热点之一。
高分子材料具有独特的特性和优势，可以应用于锂离子电池、燃料电池以及柔性电池等多个领域，为电池的性能和可靠性提供了新的解决方案。
首先，我们来探讨高分子材料在锂离子电池中的应用。
锂离子电池已成为电子设备和电动汽车等领域的主流能源储存装置。
传统的锂离子电池中，电解液通常使用有机溶剂，如碳酸二甲酯和乙二醇甲醚等。
然而，这些有机溶剂不仅存在安全隐患，还会导致电池在高温和低温环境下的性能下降。
高分子材料因其优异的电化学稳定性、导电性和耐高温性能而成为改善锂离子电池性能的理想选择。
例如，聚合物电解质可以替代传统有机溶剂，提高电解液的安全性和稳定性，从而增强电池的循环性能和耐用性。
其次，让我们关注高分子材料在燃料电池中的应用。
燃料电池是一种能源转换技术，可以将化学能直接转化为电能。
高分子材料在燃料电池的可靠性和效能方面发挥着重要作用。
例如，高分子质子交换膜（PEM）是燃料电池中的关键组成部分。
传统的PEM材料如氟碳聚合物在高温和高湿度环境下容易失水，影响电池性能。
而利用高分子材料的特性，如水合度较低且具有优良的热稳定性，可以提高燃料电池的性能和稳定性。
此外，高分子材料还可以用于改善燃料电池的耐热性和耐腐蚀性，提高电池的寿命。
最后，我们来讨论高分子材料在柔性电池领域的应用。
随着电子产品的小型化和可穿戴设备的流行，对柔性电池的需求不断增长。
高分子材料由于其良好的可塑性和柔韧性，在柔性电池的制备中具有重要的应用价值。
例如，聚合物基复合电极材料可以替代传统的金属材料，使电池具有更好的柔韧性和可变形性。
此外，高分子材料还可以应用于柔性电解质的制备，提高电池的充放电速率和循环稳定性。
这些应用推动了柔性电池的快速发展，为新一代电子产品的设计和制造提供了更多可能。
总之，高分子材料在电池领域中的应用研究呈现出极大的潜力和前景。
多孔有机聚合物在电池中的作用
多孔有机聚合物在电池中的作用1.引言1.1 概述概述部分的内容可以如下所示：概述在当今的科技发展中，电池作为一种重要的能源存储设备，在各个领域都扮演着至关重要的角色。
然而，传统的电池材料对于能量密度、循环寿命和安全性等方面仍存在一定的限制。
因此，寻找新型的电池材料以提高电池性能已成为研究者们的热点关注。
近年来，多孔有机聚合物作为一类新型的材料，引起了广泛的关注和研究。
多孔有机聚合物具有高度可调控的孔隙结构、较大的比表面积和优异的化学稳定性，这些优点使其在能源领域中展现出巨大的应用潜力。
本文将重点讨论多孔有机聚合物在电池中的作用，并探讨其在电池性能提升方面的潜在优势。
首先，我们将介绍多孔有机聚合物的定义和特点，以便读者对其基本概念有一个清晰的了解。
随后，我们将详细阐述多孔有机聚合物在不同类型电池中的具体应用，包括锂离子电池、钠离子电池和超级电容器等。
最后，我们将对多孔有机聚合物在电池中的作用进行总结，并展望其未来的发展方向。
通过对多孔有机聚合物在电池中的作用进行深入研究，我们有望为电池性能的提升和能源存储领域的发展提供新的思路和解决方案。
为了更好地探索和利用多孔有机聚合物的潜力，我们需要进一步加强基础理论研究，并开展实验验证，以期实现该类材料在电池领域的商业应用。
随着技术的不断进步和创新的推动，相信多孔有机聚合物将为电池技术的发展注入新的活力，并为我们的能源存储问题提供可持续的解决方案。
文章结构部分的内容可以按照以下方式展开：1.2 文章结构本文将按照以下结构进行论述：2. 正文2.1 多孔有机聚合物的定义和特点在本节中，将对多孔有机聚合物进行定义和介绍其特点。
首先，我们将详细解释多孔有机聚合物的概念，包括其结构和制备方法。
然后，我们将探讨多孔有机聚合物的特点，比如其高表面积、孔径可调控、化学稳定性等。
2.2 多孔有机聚合物在电池中的应用在这一节中，将详细阐述多孔有机聚合物在电池中的应用。
首先，我们将讨论多孔有机聚合物作为电极材料的应用，包括利用多孔结构提供更大的电解质/电极界面面积以提高储能能力，以及增加离子扩散通道以提高电子传导性能。
新型固态聚合物电解质的制备及其在锂电池中的应用研究共3篇
新型固态聚合物电解质的制备及其在锂电池中的应用研究共3篇新型固态聚合物电解质的制备及其在锂电池中的应用研究1新型固态聚合物电解质的制备及其在锂电池中的应用研究随着人们对新能源的需求不断增加，锂离子电池作为一种高性能的电池正变得越来越重要。
目前，在锂离子电池中使用的电解液主要是有机溶剂，这种体系具有良好的导电性和电化学稳定性，但由于其易燃、易挥发等缺陷，存在一定的安全隐患。
因此，开发一种新型的，能够保证锂离子迁移，同时又具有良好的安全性的电解质是非常重要的。
固态聚合物电解质是一种新型电解质，具有高离子传导率、良好的机械性能和化学稳定性等优点，被认为是一种有潜力的锂离子电池电解质。
固态聚合物电解质是一种将离子导电聚合物嵌入高分子网络中的固态物质。
该电解质主要由聚合物基体和盐基固态电解质组成，其中聚合物基体为主要的支撑材料，可使电解质具有良好的力学性能和耐久性。
盐基固态电解质则是电解质的核心，它的电导率决定了电解质的性能。
目前，盐基固态电解质的种类较多，主要包括锂盐、钠盐、银盐等。
其中最常用的锂盐电解质包括LiTFSI、LiClO4、LiPF6等，并且随着技术的进步，新型盐基固态电解质不断涌现，如Li3PS4等。
制备固态聚合物电解质的方法主要包括熔融浸渍法、溶液浸渍法、界面聚合法等。
其中，熔融浸渍法是最为常用的方法之一，其主要过程为：首先将聚合物基体预先制备好，并加热至熔化状态；随后在高温下将盐基固态电解质浸渍到聚合物基体中，使其浸透至整个基体内部；最后对其进行冷却烘干，制备完成的样品即为固态聚合物电解质。
其他的方法则是根据不同的物质选用不同的制备方法，但基本流程是相似的。
值得一提的是，固态聚合物电解质的制备过程中需要控制其离子导电和机械强度的平衡，以达到最佳的电化学性能。
固态聚合物电解质具有重要的应用前景，可以应用于多种类型的锂离子电池中，如电动汽车、智能手机、笔记本电脑等。
此外，固态聚合物电解质还可以与非金属锂负极材料、硅负极材料、碳负极材料等配合使用，以实现更高的电化学性能。
阳离子聚合物电解质在锂离子电池中的应用
阳离子聚合物电解质在锂离子电池中的应用随着社会的发展和人民生活水平的提高，锂离子电池已经成为现代科技社会中不可或缺的一部分。
原材料的稀缺性和环保问题引起了人们的关注，而阳离子聚合物电解质的出现却为锂离子电池的发展带来了重大的突破和进步。
本文将讨论阳离子聚合物电解质在锂离子电池中的应用。
一、阳离子聚合物电解质的基本概念阳离子聚合物电解质是一种由阳离子基团构成的聚合物，相对于传统的液态电解质，其分子结构更稳定，离子传输速度更快，可以提高电池的稳定性和安全性。
最早的聚合物电解质是聚丙烯腈（PAN），但是其电导率低、耐化学性差等问题限制了其应用。
而随着阳离子聚合物电解质的发展，聚合物材料的电化学性能得到了大大的提高。
二、阳离子聚合物电解质在锂离子电池中的应用目前，锂离子电池中应用较多的阳离子聚合物电解质有聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇复合物（PVA-PEO）、聚苯乙烯磺酸盐（PSS）等。
下面分别从电解液稳定性、电化学性能、导电性能等几个方面来介绍其在锂离子电池中的应用。
1. 电解液稳定性传统的液态电解质易受温度、电场、压力、振动等外界因素干扰，导致电池爆炸等安全事故发生。
而阳离子聚合物电解质具有较好的稳定性，可以有效地抑制电极界面的掉电现象，提高电池的循环寿命和安全性。
2. 电化学性能阳离子聚合物电解质的电化学性能是影响电池性能的重要因素之一。
目前研究表明，阳离子聚合物电解质具有较高的离子导电率和较低的电极极化，可以提高电池的能量密度和功率密度。
3. 导电性能阳离子聚合物电解质的导电性能是其应用的关键之一。
研究发现，阳离子聚合物电解质的电导率可能会受到温度、湿度、溶剂、阳离子浓度等因素的影响。
因此，在实际应用中，需根据具体情况调整其导电性能，以提高电池的性能表现。
三、阳离子聚合物电解质的发展趋势目前，阳离子聚合物电解质在锂离子电池的应用正在不断得到推广和电化学性能的改善。
唯一需要注意的是，目前阳离子聚合物电解质的价格较高，需要进一步降低成本。
聚合物电解质在锂离子电池中的应用
聚合物电解质在锂离子电池中的应用近年来，随着电动汽车和可再生能源的快速发展，锂离子电池作为一种高效、环保的储能设备，受到了广泛的关注和应用。
而聚合物电解质作为锂离子电池中的重要组成部分，其在提高电池性能、延长电池寿命等方面发挥着重要作用。
聚合物电解质相较于传统的液态电解质，具有较高的离子导电性、较低的电池内阻、较好的安全性和稳定性等优点。
首先，聚合物电解质具有较高的离子导电性，能够提供良好的离子传输通道，使得电池的充放电速率大幅提高。
其次，聚合物电解质的较低电池内阻能够减少能量损失，提高电池的能量密度和功率密度。
此外，聚合物电解质的良好安全性和稳定性能够降低电池的热失控风险，提高电池的使用寿命。
然而，聚合物电解质在应用过程中也面临一些挑战。
首先，聚合物电解质的高离子导电性往往伴随着较低的电化学稳定性，容易发生电解质的氧化还原反应，从而降低电池的循环寿命。
其次，聚合物电解质对于锂离子的选择性较差，容易与其他离子产生竞争，导致电池内部的离子浓度不稳定，进一步影响电池的性能。
此外，聚合物电解质的机械性能较差，容易发生溶胀和机械损伤，限制了电池的使用温度范围和循环寿命。
为了克服这些挑战，科研人员们进行了大量的研究和实验。
一方面，他们通过改变聚合物电解质的化学结构和分子尺寸，提高电解质的电化学稳定性和机械性能。
例如，引入交联结构可以增强聚合物电解质的机械强度和耐溶胀性，提高电池的循环寿命。
另一方面，科研人员通过设计新型的聚合物电解质材料，提高其对锂离子的选择性，减少与其他离子的竞争。
例如，引入功能化基团或添加配位剂可以增强聚合物电解质对锂离子的亲和力，提高电池的离子传输效率。
除了改进聚合物电解质材料本身，科研人员还通过优化电池结构和制备工艺，提高电池的整体性能。
例如，采用纳米材料和多孔结构的电极材料，可以增加电极的比表面积和离子扩散通道，提高电池的功率密度和循环寿命。
此外，采用先进的电池制备工艺，如湿法涂覆和固态烧结，可以提高电池的一致性和可靠性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第三部分：锂离子电池的应用
⑴ 在电子产品方面的应用：
① 手机：
手机用锂离子电池的技术指标
电池 型号 14500 圆柱形 17500 18650 22mm 宽 470 22mm 宽 600 方 形 30mm 宽 850 34mm 宽 900
聚甲基丙烯酸酯（PMMA）
PMMA为非晶态高分子化合物，透明性好，1985年开始用于锂离子 电池。PMMA系凝胶电解质的特点是与金属锂电极的界面电阻低； 通过共聚可以得到离子电导率、机械强度和化学稳定性都较高的 聚合物电解质；
聚偏氟乙烯（PVDF）
PVDF均聚物为离子电导率高的电解质，具有优良的耐溶剂性能，热 稳定性能和耐候性能等。 锂离子电池用的聚偏氟乙烯化合物有聚偏氟乙烯均聚物和氟化乙烯 与六氟丙烯共聚物等
我国“863”计划电动汽车重大专项计划书中要求锂离子电池作为电动 汽车动力必须达到的性能（来自《高能化学电源》）
质量比能量/（W· h/kg）
功率密度/（W/kg） 循环次数/次 行驶里程/万公里 电池工作温度/℃
>130
>1600 >500 >10 -20~55
索尼公司以锂离子电池为动力的电动汽车部分试车结果
聚合物在锂离子电池中的应用
概要：
第一部分：选题的背景
第二部分：锂离子电池及其应用的聚合
物 第三部分：锂离子电池的应用
第一部分：选题的背景
本题涉及的是新能源材料的问题: 新能源材料的特点： ⑴ 新材料把原来使用的能源变成新能源。 ⑵ 一些新材料可以提高储能和能量转化效果 新能源材料开发面临的问题: ⑴ 资源的合理利用。 ⑵ 安全与环境保护。 ⑶ 材料规模化生产的制作与加工。 ⑷ 延长材料的使用寿命。
石墨化碳 负极材料
无定形 碳材料
其它碳 负极材料: 富乐烯 碳纳米管
氮化物
硅及 硅化物
锡基氧 化物及 锡化物
钛的 氧化物
对碳基负极材料的改性:1.引入非金属元素;2.引入金属元 素;3.进行表面处理;4.采用机械化学法(粉碎等).
五、聚合物电解质材料(来自《高能化学电源》)
电解质种类 结构特点 电解质体系 性能特点
谢谢！
容量 /mAh
直径 /mm 高度 /mm 宽度 /mm 长度 /mm
580
14 50
750
17 50
1350
18 50
30mm 宽 580
6 22 48
8 22 48
6 30 48
9 30 48
8 34 48
②笔记本电脑：
笔记本电脑的电压为10V以上，容量大，一般采用3~4个 单电池串联就可以满足电压要求，然后再将2~3个串联 的电池组并联，以保证较大的容量。
⑷ 其他应用
① 医学 主要应用于助听器、心脏起搏器等； ② 手表 更环保； ③ 地下采油 因为地下采油的温度高， 采用聚合物锂离子电池可以满足其要求 并且聚合物锂离子电池的电导率高能有效地提供电力。
东方欲晓，莫道君行早。踏遍青山人未老，风景这边独好。 会昌城外高峰，颠连直接东溟。战士指看南粤，更加郁郁葱葱。
三、正极材料 主要Fra bibliotek： 氧化钴锂正极材料、氧化镍锂正极材料、
氧化锰锂正极材料、钒氧化物正极材料 等 通过掺杂其它元素、改进制备工艺等材 料改性手段可以有效的提高脱嵌相的稳 定性，提高可逆容量和抑制容量衰减。
四、负极材料
负极材料分为：
碳基负极材料和非碳基负极材料两大类；
碳基负 极材料 非碳负 极材料
聚氧化乙烯类（PEO）
PEO在20世纪80年代开始作为电解质基体应用于电池中，其主要特点是：
玻璃转化温度低和无定形相含量高。 PEO的离子导电机理：离子通过PEO的局部松弛和链段的运动实现快速 迁移，该迁移主要发生在无定形相中。 通常的改性方法：共聚、交联、掺杂盐、加增塑剂和无机填料。
insulators, using crystalline solids, polymers, or composites consisting of polymer-liquid or ceramic-liquid combinations.Ref.NSF）
主要应用：军事通讯，鱼雷、潜艇、导弹等尖端武器上；
二次电池简介：
⑴ 什么是二次电池？ ⑵ 为什么二次电池能够迅猛发展？ ⑶目前对二次电池研究的新重点： ⅰ.储氢材料及金属氢化物镍电池； ⅱ.锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池； ⅲ.聚合物电解质锂离子电池；
第二部分： 锂离子电池及其应用的聚合物
一、概述 二、工作原理
三、正极材料
四、负极材料
⑵ 交通工具方面的应用：
① 电动自行车：采用铅酸蓄电池，电池本身重就达十 几公斤而采用锂离子电池则只有3kg重；
② 电动汽车：
具有以下优点： ⅰ.低污染排放； ⅱ.低噪声、无废热； ⅲ.提高能源利用率； ⅳ.减缓能源危机； ⅴ.不会产生内燃机油污，耗油率为“零”； ⅵ.寿命长（大于10年），维护费用低，直接传动而驾 驶平稳且无歇停振动现象等；
几种最新的聚合物电解质
Ref.石 桥等 锂离子电池用聚合物电解质的最新进展I. 干态聚合物电解质[J],电子元 件与材料,2003,11.22(11):53~57.
聚合物电解质研究趋势
（来自陈光主编〈新材料概论〉）
聚合物电解质存在着电导性与力学性能的矛盾，以及 常温电导率不高、稳定性不好的问题。可以预测，今 后几年聚合物电解质技术的研究将主要集中在：
五、电解质材料
一、概述
定义：锂离子电池是指 以锂离子嵌入化合物 为正极材料电池的总 称。锂离子电池的充 放电过程，就是锂离 子的嵌入和脱嵌过程。
特点： ⑴优点
① 体积和质量比能量高。（体积比能量就是单位体积的能量，质量比能
量类似） ②平均输出电压高，一般为3.6V，是Cd-Ni，MH-Ni电池的三倍； ③可大电流放电，输出功率大； ④自放电率小，每月放电不超过10%，不到Cd-Ni，MH-Ni电池的一半； ⑤放电时间长、循环性能好、使用寿命长，可达1200次； ⑥充电效率高，可达100%，而且可快速充电； ⑦没有环境污染，称为“绿色电池”
聚丙烯腈(PAN）
PAN基电解质的研究始于1975年。 其优点是： 1. 合成简单 2. 性能稳定 3. 热稳定性高 4. 不易燃烧 缺点：离子电导率较低；但可以通过以下手段对其凝胶电解质进行改进： 选择合适的非水溶剂，如：用EC/DMC或EC/DEC混合溶剂代替PC/EC，可以避免PC 的分解进而提高电导率； 改善基体，通过共聚等方法可以减少聚丙烯腈的结晶性； 加入添加剂，如：加入三氧化二铝增塑后其室温电导率达0.23ms/cm； 减少凝胶中的杂质 提高电解质的均匀性
交联型 全固态聚合物 非交联型
①聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN） 聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯（ PVDF）等 ① 填料：有机低分子化合物、无机物、有 机-无机混合物
①聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN） 聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯（PVDF ）等 ② 填料：有机低分子化合物、无机物、有 机-无机混合物
交联型 凝胶聚合物 非交联型 ① 聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN） 化学交联： 聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯 性能稳定，不受温 （PVDF）等 度和时间的影响 物理交联： ② 液体增塑剂（低分子量聚乙二醇） 温度升高或长时间 ① 聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN） 放置发生容胀、 聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯 溶解、增塑剂析 （PVDF）等 出 ② 液体增塑剂（低分子量聚乙二醇）
（来自《锂离子电池》）
参 数 长x宽x高/mm 乘客数/人 质量/kg 每次充电行驶里程/km
性 能 4145x1695x1565 4 1700 >200
最大速率/（km/h） 从0加速到80km/h所需时间/s
120 12
⑶ 在军事上的应用：
美国军用锂离子电池的技术指标为：工作电压为4.0V，比能量为 90w· h/kg，功率密度为40w/kg，工作温度为：-20~55℃。 （The design of electrolytes,i.e.ionic conductors and electronic
充电反应为： 正极 :
LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe
负极:
6C + xLi+ + xe → LixC6
电池反应:
6C + LiCoO2 → Li1-xCoO2 + LixC6
在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，而嵌入负极，即锂离子从高
浓度正极向低浓度负极的迁移过程；放电过程类似。
⑵缺点
①成本高，主要是正极活性材料价格高； ②必须有特殊保护电路，以防过充电； ③与普通电池的相容性差，一般要在3节普通电池的情况下才能用锂离子
电池代替。
与其优点比起来,锂离子电池的缺点不应成为问题,特别是它应用在高 附加值和高科技产品中.
二、工作原理
以石墨负极和LiCoO2正极为例：