环醚聚合物电解质在锂电池中的应用及其热稳定性分析

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:annybill1984
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传统锂离子电池由于采用石墨负极,能量密度较低,已经无法满足现阶段的需求,使用锂金属(理论容量3860 m Ah g-1)作为负极可以有效提高电池能量密度。但由于锂金属活泼的还原性和传统电解液的易扩散性,导致界面反应持续进行,造成界面电阻的不断增加和锂金属与电解液的大量消耗。除此之外,有机电解液还有易挥发和易燃的特点,在电池过热时有巨大的安全隐患。采用扩散性低的固态电解质,可以与锂金属负极保持稳定的界面接触,并且固态电解质的热稳定性更高,在提升能量密度的同时也可以保证电池的安全性。目前,固态电解质主要分为有机和无机两大类。与无机陶瓷电解质相比,有机聚合物固态电解质具有更好的柔韧性和延展性,一方面可以与电极保持紧密接触,适应电极在循环过程中发生的体积变化,并抑制锂枝晶的形成;另一方面可以促进超薄电解质膜的制备,缩减电池体积,使其更贴近于实用化。但是,聚合物电解质也存在一定缺点,首先,处于室温时的离子电导率低于10-4S cm-1,无法满足实际生产和生活的需求。其次,尽管聚合物电解质可以在一定程度上抑制锂枝晶,但是该现象仍然无法避免。最后,制备聚合物电解质时采用的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)成本高,且在自然状态下很难降解,会增加环境负担。因此,制备化学和电化学稳定以及高性能的聚合物固态电解质,以及提高LiTFSI的循环利用率是固态电池发展的一大重点。本论文制备了环醚聚合物固态电解质:一方面,对锂负极界面进行调控,有效抑制锂枝晶和减少锂金属负极的体积膨胀,提高电池的循环效率;另一方面,对环醚聚合物电解质进行热稳定性分析,对该类电解质的制备工艺和工作温度范围提出了新的要求;最后,首次将该类聚合物的热分解性质应用于锂盐回收中,有效降低聚合物电解质的制备成本,并提高LiTFSI的循环利用率。具体研究内容如下:(1)在1,3-二氧戊环(DOL)和LiTFSI的溶液中加入氟化亚锡(SnF2),不仅可以引发DOL开环聚合,而且在锂金属负极界面处可以形成锂锡合金和氟化锂(LiF)的复合固态电解质界面层(SEI),从而均匀界面电场和Li+流,抑制锂枝晶的生成,维持良好的界面稳定性。P-DOL全固态电解质在45 oC下的离子电导率为7.2×10-5S cm-1。采用该电解质,可以有效将沉积锂的体积膨胀率从90~100%降至22.4~32.7%,大大提高锂金属的利用率和电池的循环稳定性。(2)将P-DOL聚合物电解质进行110 oC热处理,发生迅速并持续的热分解反应,在电池中,该热解性质会造成电解质和正极粘结剂的失效,阻断Li+传输,最终导致电池内阻过大而发生断路。P-DOL的分解气体产物包含甲醛、二氧六环、三聚甲醛和DOL等小分子环醚,并且产物的挥发会加速分解反应的右移。纯P-DOL聚合物的热稳定性可以达到300 oC,而SnF2或LiTFSI的加入均会降低其热分解温度,并且两者共存会使分解温度继续降至100 oC,因此通过原位聚合制备的含有催化剂的P-DOL电解质热稳定性较差,需要严格控制其工作温度,否则容易引发电池失效和安全事故。P-THF的主链结构热稳定性更高,并且在聚合物前驱体中加入缩水甘油基2,2,3,3-四氟丙基醚(TFP),不仅可以提高P-THF聚合物电解质的电化学稳定性,同时也可以提高其热稳定性。(3)以SnF2和SnF2-LiPF6两种催化剂进行开环聚合,使TFP分别与DOL、THF和1,2-环氧丁烷(EOB)进行共聚,制备环醚共聚物电解质体系,探究了SnF2-LiPF6复合催化剂和SnF2单一催化剂对聚合-解聚动态平衡的影响,表明聚合速率提高的同时也会加速解聚反应,同时,LiPF6在聚醚电解质中会与锂金属负极持续发生较强的界面反应,从而造成界面电阻持续增大,直至电池失效。结果表明,催化剂的移除显著提高了三种聚合物电解质的起始分解温度,并且组装的Li/Li对称电池可以在100 oC下维持稳定循环。除此之外,首次将环醚聚合物的热分解性能应用于LiTFSI的回收提取:对环醚聚合物进行220 oC热处理,使得其热分解的同时保持LiTFSI化学稳定。加热过程中将聚合物分解产物从体系移除,待分解完全后对残渣进行洗涤、过滤和烘干,回收得到的LiTFSI在拥有较高纯度的同时,也与商用LiTFSI具有等同的化学和电化学性质。该LiTFSI提取工艺大大降低了聚合物制备的成本,促进LiTFSI的循环再利用,有利于环境保护和资源可持续性发展。
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