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凝胶聚合物电解质GPE

PLIB优点

§

电池的使用寿命长

电池的使用温度范围宽

可以制成任意形状的超薄电池

安全性好

目前已经开发的聚合物电解质有PEO基，PMMA基，PAN基，PVC基，还有共聚合电解质。

在聚合物电解质中加入增塑剂可以明显提高聚合物电解质的电导率，因为增塑剂是低分子聚合物或者也太有机溶剂，它与高分子链相互作用，可以阻止聚合物链的规整排列和抑制结晶，从而提高聚合物的电导率。

聚合物电解质的表征：

离子电导率，阻抗；

电化学稳定窗口，伏安法合租抗法；

离子迁移数，阻抗法。

要求：

离子电导率高，电化学性能和热性能稳定，柔韧性好，机械强度高。

正极材料分为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料，负极为石墨，负极采用锂-碳层间化合物LixC6。

电解液为溶解了锂盐（如LiPF6、LiClO4、LiAsF6等）的有机溶剂。

液态锂离子电池常用电解质

DMC碳酸二甲酯

DEC碳酸二乙酯

EC碳酸乙烯酯

PC碳酸丙烯酯

EMC碳酸甲基乙基酯

电池正负极隔膜的材料是聚烯烃的多孔膜，要有绝缘性，起到隔离正负极的作用，多孔，保证低的电阻和高的锂离子电导率，对锂离子有好的透过性。

电极的制备

铜箔预处理；

以N-甲基吡咯烷酮为溶剂配置聚偏二氟乙烯（PVDF）溶液，将样品：

炭黑：

PVDF=8：

1：

1质量比混合；

充分研磨后涂布到铜箔上；

干燥称重；

压制电极片；

扣式半电池组装：

材料：

正负电极壳、负极片、隔膜、锂片、垫片、弹簧片、电解液

组装：

在充满氩气的手套箱中组装扣式半电池；

正极壳 活性物质电极片 滴加电解液（电解液为LiPF6/EC：

DMC：

EMC=1：

1） 隔膜 锂片 垫片 弹簧片 负极壳；

最后加压密封，得到纽扣半电池

锂电池材料发展

电子信息产业的发展，电动车、电动汽车行业的快速发展，对新一代锂离子电池提出大容量、微型化、充电快、微型化的要求，传统锂离子电池以石墨为负极材料（理论容量仅372mAhg-1），远不能满足市场需求。

目前作为研究热点的高性能锂离子电池负极材料主要有碳纳米材料、过渡金属氧化物、硫化物和合金类型材料，这些材料作为电池负极材料各有优缺点，很多材料还处于实验室研究阶段。

常见的合金负极材料包括，锡基，硅基，锗基等。

锂电池正极材料：

一般为理想的锂嵌入化合物，一般有氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂等。

这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。

氧化钴锂作为正极材料具有开路电压高、比能量高的优点，理论容量274，循环寿命长、能快速充放电，但是昂贵。

氧化镍锂与氧化钴锂性能相近，但是制备困难；

氧化锰锂价格低，制备也比氧化镍锂容易，但是嵌锂容量低，只有90-100，理论容量148，并且充放电过程中结构不稳定。

负极材料要求：

1） 锂离子在负极材料中的插入氧化还原电位要低，接近金属锂的电位，从而可以使电池的输出电压高；

2） 在负极材料基体中大量的锂离子能够发生可逆嵌入和脱出，可以得到大容量密度；

3） 锂离子在整个嵌入和脱出过程中应可逆，且主体结构不会发生变化，这样有利于保持其良好的循环稳定性能；

4） 插入化合物应有良好的电子电导率和离子电导率，这样能够减少极化反应，并且可以进行大电流充放电；

5） 负极主体材料要有良好的表面性能结构，能与液体电解质形成良好的SEI膜；

6） 插入化合物在整个电压范围内要有良好的化学稳定性，在充放电过程中形成SEI膜后不会与电解质发生反应；

7） 锂离子在主体材料中有较大的扩散系数，便于大电流快速充放电；

8） 负极主体材料尽可能便宜，并且对环境没有污染等。

锂电池负极材料：

金属锂负极材料，金属锂作为负极材料，理论容量3861mAhg-1,是目前碳负极（LiC6）,372的十倍以上，但是充电过程中形成树枝状结晶，刺穿薄膜造成短路，降低电池寿命，引发安全事故。

碳负极材料（无定形碳，石墨烯类负极材料），石墨类碳材料，良好的电压平台，不存在充电电压滞后。

硅基材料

锡基材料

合金材料

氮化物、氧化物材料

锂电池充放电可逆性：

一般冲放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和氧化物之间进行嵌入和脱嵌时，只会引起材料层间距的变化，不会破坏材料的晶体结构。

在充放电过程中，材料的化学结构性质基本不变，因此锂离子电池具有充放电可逆性。

首次充放电时，电解液会在负极材料表面分解，形成固体电解质界面膜。

SEI的形成会消耗部分锂离子，导致首次循环库伦效率较低，不可逆容量增加。

我的课题

我从事课题是锡基负极材料的研究工作，锡基负极材料与碳负极材料相比，具有以下优势：

容量密度高（金属Sn的理论比容量993mAhg-1，高于石墨负极材料的理论比容量372mAhg-1），价格便宜，无毒副作用，安全性好。

但是充放电过程中，存在严重的体积膨胀产生的内应力导致电极材料粉化和剥落，使电池活性大大降低。

我们从提高锡基负极材料的循环稳定性入手，进行了一系列实验探索。

改进方法

（1）三维中空阵列结构锡合金

（2）柔性高分子包覆（3）材料纳米化

三维阵列核壳结构的Sn-Ni合金@PEO的锂电池负极材料的制备和性能研究

1、中空结构的优势：

和实心块体材料相比，中空材料具有密度小，比表面积大，表面渗透性好等优点，而且，由于内部空腔可以吸收部分体积膨胀，因而表观体积膨胀小，可以在很大程度上提高其循环稳定性。

除此之外，中空结构负极材料体积变化自由度大，从而减小过压并且更有利于电极表面的反应进行。

2、三维阵列结构优点：

传统的二维薄膜锂离子电池具有短的锂离子扩散路径，比容量高，电化学性能和安全性能优良，然而电池体积能量密度较低。

与其相比，三维电极结构能够充分利用三维空间优势，这种微纳结构电极的活性物质在微米甚至纳米尺度下形成柱状、片状以及其它形状的微观结构，增加了活性物质的微观表面积，从而使活性物质利用率和电池总体性能得到提高，提高了电池的容量。

三维结构能够增大电极与电解质膜的接触面积。

然而，三维阵列结构由于长径比很大，纳米线容易根部断裂或者相互粘结而薄膜化，三维阵列结构被破坏，导致电池容量下降，存在三维电极结构稳定性差的问题。

研究表明，具有核壳结构的功能材料对提高纳米材料的界面稳定性和结构稳定性具有重要的作用。

具有这种结构的复合材料能够有效避免纳米线之间的团聚与粘结，同时壳材料将防止充放电过程中负极材料粉化与剥落，因此该种结构作为电极的材料具有高的可逆容量和良好的循环性能。

3、高分子壳进行包覆：

高分子易于在电极表面成膜，结构、组成易于调控，其柔性降低了电极活性物质在循环过程中的体积膨胀的应力。

PEO（聚环氧乙烷）是良好的柔性聚合物，在保证高的Li+储存容量的前提下，可以缓解负极材料的体积膨胀，有利于负极材料结构的稳定。

PEO是很好的离子电导体，在锡合金负极材料表面形成有利于形成离子通道，提高电导率。

增加了电极材料与高分子电解质的界面相容性，在界面上形成一个稳定、低阻抗的钝化膜，更有利于大电流放电。

制备：

PEO是溶解在水中的，SDS是水溶性表面活性剂，可以在Sn-Ni合金表面接枝一层和PEO进行连接的官能团。

性能的提高：

制备材料：

PEO包覆的Sn-Ni合金纳米管阵列

对比材料：

Sn-Ni合金纳米线阵列

1、恒电流充放电曲线，PEO包覆的Sn-Ni合金纳米管阵列有更加明显的充放电平台，其中第一圈放电曲线中在0.7V,0.54V,0.46V出现三个平台，分别对应第一次循环时SEI膜的形成，0.4-0.7

LixSn合金的形成，<

0.3LiySn合金的进一步形成

2、循环稳定性测试，0.2Ag-1下循环200次之后，包覆的材料容量可保持稳定在650mAhg-1，而没有包覆的材料容量衰减迅速，200次循环之后仅仅350mAhg-1

3、倍率性能提高：

在5Ag-1的电流密度下，包覆的材料容量仍可达500mAhg-1，而没有包覆的仅仅200mAh-1

LAND电池测试系统进行电化学性能测试

1、CV曲线，

2、前三圈的恒电流充放电曲线，对应CV曲线，电压范围0.01-2.0V

3、循环稳定性曲线（包括库伦效率、容量），0.2Ag-1电流密度下进行，循环200次后可逆容量保持在650mAhg-1

4、倍率性能不同电流密度下循环20圈，其中5Ag-1达到500mAhg-1

5、不同电流密度下的充放电曲线

6、大电流充放电下循环稳定性曲线

其他表征

1、形貌：

SEMTEM

2、元素：

XRDEDS

3、红外表征

4、BET比表面检测仪，氮气吸附脱附分析

5、交流阻抗（Rct电荷转移动阻力）0.1-106Hz，测试前对锂电池进行3次循环活化，高频圆弧代表Li+穿过SEI膜的阻抗，中低频圆弧代表电荷传递阻抗。

6、差示扫描量热仪DSC的工作原理：

DSC和DTA仪器装置相似，不同的是在试样和参比物容量下装有两组补偿加热丝。

也就是说，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率得到补偿，实际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿的热功率之差随时间的变化关系。

如果升温速率恒定，记录的也就是电功率之差随温度T的变化关系。

用途：

高分子材料的定性定量分析、熔点、玻璃化温度、结晶度分析、熔融热和结晶热分析、相转变温度等等。

差示扫描量热仪记录的曲线称为DSC曲线，它以样品吸热或者放热的速率为纵坐标，以温度T或者时间t为横坐标。

使用温度范围-175-725℃