聚合物电介质讲解

2010年上海世博会上燃料电池汽车的大规 模示范运行，也初步展示了我国在氢能与燃料 电池开发应用上的实力和技术。
虽然聚合物电解质已应用于 锂离子等电池的商品化生产, 但 在实际应用中仍存在一些亟待解 决的问题, 因此,聚合物电解质 领域还需作进一步的研究、 优 化和发展.
谢 谢 观 赏
组组 长员 ：： 吴杨刘杨高 美彦军 汝洁云雪梅
聚合物电解质不但具 有较好的导电性, 而且具有 高分子材料所特有的质量 轻、 弹性好、 易成膜等特 点, 在一定程度上符合化学 电源质轻、 安全、高效、 环保的发展趋势,因此成为 近几年化学电源研究和开 发的热点.仅 2007~ 2009年 就有学者对其进行深入研 究, 并取得了一定的成果.
DSPE是研究最早 的一类聚合物电解质, 到目前为止, 绝大部 分 DSPE的离子电导率 都比较低，但电化学 稳定性和对电极的稳 定性好.
Ahn等通过研究在PEO/LiC10体系中添加不同尺寸 Al2O3对电导率的影响,发现含有纳米尺寸的聚合物电 解质的电导率比含有微米尺寸的要高. 此外还发现, 无机颗粒的尺寸越小,对聚合物结晶的抑制越明显,也 越有利于电导率的提高.叶霖等合成了梳形聚醚 POE, 并与高氯酸锂复配制成全固态聚合物电解质,并用DSC 和XPS分别表征了链段运动能力和锂盐在POE中的溶解 状态对电导率的影响.交流阻抗测试表明, 当POE 电 解质内的氧锂比(O/Li)为 20时其电导率最高.
聚合物锂离子电池
聚合物电解质的应用
聚合物电解质膜燃料电池
聚
它是在液态锂离子电池基础上发
合 展起来的新一代高比能电池体系.是
物 为解决液态锂离子电池存在的严重不
锂 离
足而提出的一种全新的概念电池.
子
具有安全性能高、重量轻、容量
电 大、体积小、易塑性高等优点,被公
池
认为最具发展潜力和应用市场的电池
产品.
PSPE是指聚合物本体具 有多孔结构, 增塑剂和盐存 在于聚合物本体孔结构中.
聚合物多孔膜具有较高 的孔隙率、 较强的液体保 持能力及一定的机械强度. PSPE膜的离子电导率一般在 100 S/cm数量级.
PSPE是较有希望应用于锂离子电池的 一类聚合物电解质, 其离子电导率较接近液 体电解质.另外, 使用 PSPE也使锂电池的装 配过程变得相当简单,该技术的意义在于提 供了低成本的设计和制造新型电池形状的可 能性.
研究者把纳米粉末应用于 SPE 的研究中, 制备CSPE膜. 由于所添加的惰性粉末为纳米 材料, 使得SPE膜的性能更稳定.
何钟达、 陈艳玲等采用相转换法制备了 以丙烯腈(AN) /甲基丙烯酸甲酯(MMA)为基质, 添加纳米 Si O2的复合聚合物电解质膜,与空 白隔膜相比, 复合隔膜具有较致密的结构,有 利于提高聚合物的电导率.
展 简
1979
Armand等报道了 PEO的碱金 属盐在 40 ~ 60e 时离子电导 率达 10- 5S/cm, 且具有良好
史
的成膜性能,可用作锂离子电
池的电解质
20世纪90年代
Gozdz等利P(VDF2HFP) 共聚物制备了多孔型 聚合物电解质
之后
Weston和 Steele最先把电化 学惰性的无机填料 A2 Al 2O3 加入到 SPE 中, 以后各种惰 性粉末被应用于 SPE中, 逐渐 形成了复合型聚合物电解质体 系
电流;
聚
(3) 与电池电极和其他材料结合
合
时, 具有较好的化学及电化学相
物 电
容性;
解
(4) 具有较好的热力学稳定性;
质
(5) 具有一定的机械强度;
的
(6) 对环境无毒;
性 能
(7) 聚合物材料易于合成且具有 良好的加工性。
目前聚合物电解质大致可分为4种：
1 全固态聚合物电解质 2 凝胶型聚合物电解质 3 多孔型聚合物电解质 4 复合型聚合物电解质
GSPE作为液态电解质 与全固态电解质的过渡产 物, GSPE集合了固体的柔 韧性与液体易扩散的特点, 克服了液体电解质易在电 极表面生成易燃物质及漏 液的缺点, 使电池的设计 更自由.
吴川、潘春花等采用了一种自制新型超支 化聚醚(PHEMO)与甲苯 2 , 4- 二异氰酸酯 (MDI)在电解液中进行缩合反应, 制备了一种 具有交联网状结构的聚氨酯(PEU)型凝胶态聚 合物电解质. 在这种新型的电解质中,电解液 小分子被聚合物大分子包裹在其中, 可有效防 止凝胶聚合物电解质的漏液问题, 从而可提高 锂离子电池的安全性.
无线鼠标,手机等.
通信站、电动自行车电动汽 车、专用动力设备UPS等
未来在聚合物锂离 子电池研究中, 聚合物 电解质的结构、 传输 机理和基础研究、 电 极界面特性及高性能的 电池组装研究将仍是主 要关注的焦点.
又称质子交换膜燃料电池,
聚
是一种能直接将燃料和氧化剂
合
中的化学能转化为电能的电化
物
学装置。
它代表着锂电池技术的最高水平,
因此国内外各大锂电池生产厂家及科
研机构都将它作为研发的重点.
聚合物
锂离子电 池的应用 范围
便携式 DVD, 笔记本电脑, 通信装置,矿灯,仪器仪表, 摄 像机,航模车模, 电动玩具,
电动工具, 小型UPS等
蓝牙耳机, MP3 , MP4 , 数 码相机, 移动电话, PHS电话，
中国科学技术部以及同济大学、清华大学等单位 派代表出席了这两个会议。
日本在 2009 年中，销售了5000―6000 台 家用燃料电池 ，经过 1 年多的运营 ，日本的 家用燃料电池认可率已经达到71％。
在美国，固定式燃料电池为燃料电池提供 了一个重要的早期市场。 2008 年，美国安装 了大约 50套新的大型固定式燃料电池装置为用 户提供分布式电源，世界上最大的固定式燃料 电池装置―――4.8MW的站内发电量，就位于美 国新的世界贸易中心大楼内；2009年，康涅狄 格州公共事业委员会已批准要建立9 座熔融碳 酸盐燃料电池发电厂， 发电量共计27.3MW；俄 亥俄州为实现本地二氧化碳的零排放 .
PSPE的典型代表是以 Be lleore技术 制备的 PVDF2HFP电解质膜. 利用 Be lleore技术制备的 PSPE膜最先应用于锂离 子电池实际生产中,并在移动电话和PDA中得 到应用, 这是聚合物锂离子电池在产业化方 面迈出的重要一步.
CSPE按照高分子材料增强理论, 在高分 子材料中加入某些无机填料,能增强高分子 材料的机械性能.
聚
合
Wright首次测量了聚氧乙烯 (PEO)与碱金属盐 (Mx)络合
物
1973
的电导率
电
在 PAN2 Li X, PVDF2LiX体系中
解
加入塑化剂 EC , PC等环酯制成
质
1975
凝胶聚合物电解质(Gel Solid
的 发
Polymer Electrolyte GSPE ), 发现 离子电导率大大提高
从电化学角度出发, 聚合物电
聚
解质应具备以下7种性能:
合
(1) 有较宽的电化学窗口, 在电池
物
过充电及放电过程中具有较好的电
电 解
化学稳定性,降低充放电时的过电
质
位;
的
(2) 为获得较高的电流密度, 聚电
性
解质的室温电导率必须达到10-3S#
能
cm-1, 离子迁移数应为 1,否则在电
极表面将产生浓度梯度而导致极限
电
具有能量转换效率高、环境
解
友好、比能量高 ( 相对于电
质
池 )、操作温度低、启动快等
膜
特点.
燃
开发具有高的质子传导能力
料
的质子交换膜是关系这类燃料
电
电池发展的关Biblioteka Baidu.
池
其应用范围很广,可用于电
动汽车、固定式电源、便携式
移动电源等.
燃料电池发展现 状
氢能被视为21 世纪最具发展潜力的清洁能源， 在 21 世纪的第1 个 10 年结束之际，以燃料电池技 术为代表的氢能的开发和利用已在全球各国取得巨大 进展，并开始部分实现商业化。 2010 年 5 月 14―15 日，第 13次国际氢经济和燃料电池伙伴计划 会议（IPHE）在德国埃森召开；随后，5 月 16―21 日，第 18届世界氢能会议（WHEC）也在埃森举行。 从会议透出的信息显示，即便在全球遭遇金融危机的 情况下，各国持续开展氢能与燃料电池技术研究、开 发和商业化部署的脚步也没有放缓。