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锂离子电池聚合物电解质最新研究进展

时间:2014-10-11 9:10:19来源:本站原创浏览次数:
摘 要: 综述了固体聚合物电解质和凝胶聚合物电解质的组成!性能,并对聚合物种类和聚合方法进行了分类说明,对聚 合物电解质的发展前景进行了预测"
关键词: 聚合物电解质; 聚合物种类; 离子电导率

    聚合物锂离子电池是在常规液态锂离子电池的基础上发展起来的一种新型锂离子电池,目前研究较多的是使用聚合物电解质取代常规锂离子电池中的液体电解液及隔膜的聚合物电池,聚合物电解质在电池中承担着锂离子电池中的隔膜和电解液的双重功能,既能如隔膜那样隔离开正负极材料,使电池内部不发生自放电及短路,又能像电解液那样在正负极之间传导锂离子"因此,聚合电池不仅具有液态锂子电池的高电压!长寿命以及清洁无污染等特点,而且由于它采用全固态或半固态结构,克服了液体电解质电池存在的易漏液,短路!不够安全等问题,同时弥补了无机固体电解质电导率低!脆性大!成膜性差!机械形变差的不足。1996 年,美国 Bellcore 公司宣布了一套相对完备的聚合物锂子电池的规模化技术,因此这种电池已引起人们的广泛关注"聚合物电池的核心技术在聚合物电解质的研发上,本文对全固态及凝胶型两种聚合物电解质的组成!性能!聚合方法及聚合物类型进行了分类对比研究和说明,并对聚合物电解质的发展前景做了预测。

1全固态聚合物电解质


全固态聚合物电解质( SPE) 是由能使锂盐溶解在其中、并有助于锂盐解离和离子快速迁移的聚合物和锂盐二者结合而成。1973年,Wright首次发现聚氧乙烯(PEO) 与碱金属盐配位具有离子导电性,Li+沿着聚合物中非晶部分的链段运动从而完成锂离子与聚合物的络合!解络合及再络合的循环过程,如图 3 所示"但这种纯固态型的聚合物电解质的室温电导率通常只有 10-6~10-7Scm-1左右,无法满足锂离子电池的实际应用,如何提高SPE的离子电导率则成为首要考虑的问题"采取的主要方法是通过共聚!共混!接枝!交联及使用具有增塑作用的锂盐等手段来抑制聚合物结晶!降低玻璃化转变温度、增强链段运动能力,从来达到提高载流子的迁移速率的目的"

1.1  共聚类聚合物电解质

 
通过共聚可抑制聚合物结晶或提高聚合物链段运动的能力,降低玻璃化转变温度从而达到提高离子电导率的目的。Booth 等人在1990年首次报道了氧乙烯; 氧亚甲基无规共聚物,氧亚甲基的无规嵌入破坏了PEO螺旋形结构的规整性,抑制了该聚合物体系的结晶性,从而加速了锂离子在其中的迁移,kim等用磷酸酯作为连接剂与聚乙二醇( PEG) 和聚己二醇( PTMC) 共聚得到线性的聚磷酸酯无规共聚物L,(PC) ( 如图2) ,通过增加高分子链段的局部运动能力来提高电导率。

1.2 共混聚合物电解质

共混的两种或多种聚合物之间应该有很好的容性,组分之间应该具有较好的机械性能和较强的溶解锂盐!络合Li+的能力。常见的有聚乙烯醇( PVA)、聚苯乙烯(PS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈( PAN) 及聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 等。Ichino将丁苯橡胶和丁腈橡胶共混,合成了“双相电解质”。非极性的丁苯橡胶为支持相,保证电解质具有较好的力学性能

1.3 接枝聚合物电解质

通过“接枝”手段将低分子量的有机物如PEO接枝到大分子主链形成“梳状“ 结构的接枝聚合物,接枝改性后的聚合物结晶度降低"由于离子传导主要依赖于聚合物非晶区的近程链段运动,因而尽可能降低聚合物的结晶性来降低聚合物的玻璃化转变温度,从而提高非晶区含量以满足常温下锂离子迁移的需要。

1.4 交联聚合物电解质

等人发明了一种互穿网络型高分子固体电解质,它是由网络支撑体和导电体组成。前者是一连续的交联网络,后者则是由低分子量醚类物质组成的聚合物与锂盐形成的络合物"如
在二氧化钛 TIO2上嫁接 PMMA支链,并将这种网络聚合物与PVDF混合形成无机物为支撑相有机物为导电相的电解质膜。 张合成了一种新型的聚硅氧烷体系的网络聚合物电解质"具体方法是在聚硅烷网络中引入分子量不等的齐聚醚侧链,齐聚醚还兼起内部增塑剂作用"该方法可以降低聚合物的玻璃化转变温度,使锂离子容易在较多的非晶区迁移,从而提高体系的电导率纵观几十年来在聚合物电解质的研究成果,制约聚合物电解质在锂离子电池中应用的根本问题
 

2 展望

从以上两个角度深入下去,可以发展出优质的聚合物电解质乃至聚合物电池,从根本上解决传统液体锂离子电池的安全隐患"作为高能移动电源及通信产品,其前景是不言而喻的。目前小型电动工具、摄像机、掌上电脑、笔记本电脑、手提电话、卫星电话等领域已广泛使用,未来在军事!航空航天、电动汽车中也可应用。
 

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