丙烯酸酯类凝胶聚合物电解质研究进展
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锂离子电池凝胶聚合物电解质的制备及性能研究的开题报告一、研究背景随着电子科技的飞速发展,锂离子电池逐渐成为电子设备领域中的重要能源供应来源。
锂离子电池具有高能量密度、低自放电率、长寿命等优点,被广泛应用于电动汽车、移动电源、智能手机等领域。
锂离子电池的核心是电解质,其性能直接影响到电池的性能和循环寿命。
传统的液态电解质具有导电性好、电化学稳定性高等优点,但同时也存在易泄露、自燃、自爆等危险,严重限制了锂离子电池的发展。
为了解决这一问题,凝胶聚合物电解质被提出并广泛研究。
凝胶聚合物电解质不仅具有高离子导电性、良好的电化学稳定性,而且在电池发生故障时,能够形成保护层,阻止电池进一步破坏,具有较好的安全性能,是一种具有广泛应用前景的电解质。
二、研究内容本研究将以普通有机溶剂和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)为原料制备凝胶聚合物电解质。
首先,聚乙二醇(PEG)和丙烯酸(AA)将在有机溶剂中进行自由基聚合反应,生成一种可溶于有机溶剂的线性聚合物。
然后,将PEG-AA聚合物与PEGDMA进行标准的自由基交联反应,制备出凝胶聚合物电解质。
通过对电解质的形态、热性质、离子传输性能等性能进行表征,研究凝胶聚合物电解质的制备工艺、物性和电化学性能。
同时,研究凝胶聚合物电解质作为锂离子电池电解质的应用性能、安全性能等方面。
三、研究意义新型电池材料的研究是未来科技领域的重点之一。
本研究通过研究凝胶聚合物电解质的制备工艺和性能,有助于深入了解电解质的结构和性能,为开发高性能的凝胶聚合物电解质提供理论依据和实验基础。
此外,凝胶聚合物电解质在电池领域的应用也有着广阔的应用前景,本研究的结果有助于推动锂离子电池技术的发展和应用。
四、研究方法1. 根据PEG和AA的摩尔比例,在有机溶剂中进行自由基聚合反应,合成PEG-AA聚合物。
2. 通过标准的自由基交联反应,制备凝胶聚合物电解质。
3. 采用SEM、DSC、TGA、FTIR、Rheometer等表征手段,对制备的凝胶聚合物电解质进行形态、热性质、化学结构等方面的表征。
PMMA系聚合物在锂离子电池凝胶电解质领域中的研究进展焦晓宁;周锦涛;陈洪立【摘要】The characteristics and application of polymethyl methacrylate (PMMA) used for lithium-ion batteries gel polymer electrolyte (GPE) are summarized. One of the advantages of PMMA-based GPE is the good interface stability with lithium metal electrode, and it also has high ionic conductivity of 10-3 S/cm at room temperature, and its cycle performance is better than that of some other gel electrolyte. But the weakness of mechanical strength limits its application. But the weakness of mechanial strength limits its application. The mechanial property of PMMA-based GPE can be improved by combining with other polymers, inorganic nanoparticles, polyolefin films, even nanworens to form gel electrolytes through blending, coating, copolymerization, etc. The trend of research on PMMA-based GPE is to prepare multi -layered composite porous electrolytes by electrospinning.%综述了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为锂离子电池凝胶电解质的特性及应用情况。
锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展王永勤;薛旭金;郭贤慧;王建萍【摘要】传统的采用液态电解液的锂电池常因漏液等问题容易造成安全隐患.使用凝胶聚合物电解质可以显著提高电池的安全性能,并可使电池具有薄型化、轻便化和形状可变等优点.本文介绍了凝胶聚合物电解质的优缺点、分类,并对聚环氧乙烷(PEO)基、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基、聚丙烯腈(PAN)基和聚偏氟乙烯与六氟丙烯的共聚物(PVDF-HFP)基凝胶聚合物电解质的研究进展进行了介绍.【期刊名称】《河南化工》【年(卷),期】2017(034)008【总页数】6页(P12-17)【关键词】凝胶聚合物电解质;PEO;PMMA;PAN;PVDF-HFP【作者】王永勤;薛旭金;郭贤慧;王建萍【作者单位】多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006【正文语种】中文【中图分类】TQ27.267Abstract:Traditional lithium battery adopting liquid electrolyte always causes hidden safety problems due to leakage.Safety performance is significantly increased using gel polymer electrolyte.What is more, gelpolymer electrolyte makes it possible for batteries to be thinner,lighter and more variable in shape advantages.In this paper, theadvantages,disadvantages and classification of gel polymer electrolytes are introduced,and research progress of gel polymer electrolyte based on PEO,PMMA,PAN and PVDF-HFP is introduced.Key words:gel polymer electrolyte ; PEO ; PMMA ; PAN ; PVDF-HFP随着能源需求的不断增长、天然资源的日益枯竭和生存环境的逐步恶化,我们迫切需要开发新型清洁能源,以促进可持续发展[1]。
纯丙烯酸酯的低聚物对高分子性能的影响研究进展是什么纯丙烯酸酯的低聚物是一种广泛存在于高分子体系中的物质,其对高分子性能的影响备受关注。
在研究过程中,人们发现,低聚物含量、分子量以及聚合度等因素都能够影响高分子材料的性能和应用表现。
本文旨在介绍纯丙烯酸酯低聚物对高分子性能影响的研究进展。
一、纯丙烯酸酯低聚物的种类和性质纯丙烯酸酯低聚物是由丙烯酸酯单体分子间的反应而形成的物质,由于其分子结构简单,价格便宜,广泛应用于各种不同领域。
一般而言,纯丙烯酸酯低聚物可分为两种类型:短链和长链,其分子量范围也存在差异。
短链纯丙烯酸酯低聚物主要是1-2个丙烯酸单体分子的缩合产物,一般分子量在200以下。
长链纯丙烯酸酯低聚物则是在高温或高压环境下形成的,其分子量在1000以上,与高分子材料的分子量相近。
此外,纯丙烯酸酯低聚物还可以根据其聚合度(DP)进行分类,聚合度越高则其含有的丙烯酸单体越多,反之亦然。
二、低聚物对高分子性能的影响1.流变性能高分子材料的流变性能是指其在剪切作用下表现出的物理特性。
研究表明,纯丙烯酸酯低聚物的加入会对高分子材料的流变性质产生影响。
一般而言,低聚物的分子量越高、聚合度越高,则其对高分子的剪切作用越强,会导致高分子材料的黏度增加、流动性降低。
2.热稳定性高分子材料的热稳定性是指其在高温下的稳定性能。
热稳定性是一种非常重要的指标,它与高分子材料的应用性能密切相关。
研究表明,添加纯丙烯酸酯低聚物能够改善高分子材料的热稳定性。
这是由于低聚物分子中含有活性基团,能够与高分子链上的活性基团进行交联反应,从而提高高分子链的稳定性。
3.机械性能高分子材料的机械性能是指其承受外部应力的能力,例如强度、韧度、硬度等。
研究表明,纯丙烯酸酯低聚物的加入能够在一定程度上改善高分子材料的机械性能。
这是由于低聚物能够与高分子材料中的大分子进行交联,从而加强材料的强度和硬度。
4.透明性透明性是高分子材料的重要性能之一,广泛应用于包装、建筑、光学等领域。
聚合物电解质的最新研究进展聚合物电解质是目前锂离子电池领域的热门研究方向之一。
与传统的无机电解质相比,聚合物电解质具有更高的离子导电性、更低的电导率与电化学稳定性,以及更好的安全性能等优点。
近年来,聚合物电解质的研究领域得到了极大的发展,其中的一些重要进展将在本文中进行介绍。
一、聚合物电解质的类型聚合物电解质主要分为两种类型:一种是聚合物单体基于共轭单元的电解质。
这种电解质通常由含有氧、氮、硫和磷等原子的共轭基元(如咔唑、噻吩、噻二唑、吡咯等)以及含有磺酸、磷酸、甲基磺酸等基团的低分子聚合体(如3-(丙烯氧基)丙基磺酸、对甲苯磺酸单酰亚胺等)组成。
另外一种是由聚合物和离子液体复合而成的电解质。
其中离子液体通常由有机或无机阳离子和含有磺酸、磷酸等功能基团的阴离子组成,而聚合物则可以是聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。
二、聚合物电解质的优势聚合物电解质相对于传统的无机电解质具有以下几个优势。
1.高离子导电性。
聚合物电解质中的离子不能通过直接离子传输的方式来完成电池中的化学反应,而需要通过间接传输的方式,即承载离子的聚合物分子传输离子。
由于聚合物分子的导电率通常比无机电解质高,因此聚合物电解质可以提供更高的离子传输速率。
2.可调电化学性质。
聚合物电解质的电特性(如电化学稳定性、聚合物分子的结构)可以通过化学结构的调整来进行优化,从而达到提升电池性能的目的。
3.良好的机械性能。
相对于无机电解质,聚合物电解质具有更好的柔性和高强度,这样可以提高电池的耐用性,从而为电池的实际应用提供了更多的可能性。
三、聚合物电解质的研究进展1.聚合物单体基于共轭单元的电解质。
首先是针对聚合物单体基于共轭单元的电解质的研究进展。
近年来,研究人员不断尝试改变共轭基元的结构,以增强其离子传输的能力。
例如,最近的研究表明,含硼镁键结构的聚合物可以提供更好的高温离子传输性能。
此外,与不含共轭单元的聚合物相比,这种聚合物还具有更好的电化学稳定性和更高的膨胀系数。
第36卷第2期2008年2月化 工 新 型 材 料N EW CH EM ICAL M A T ERIA L S V ol 36N o 21作者简介:校峰(1980-),硕士研究生,研究方向:新材料和环境科学。
综述与专论丙烯酸酯类凝胶聚合物电解质研究进展校 峰 赵旭东(陕西省环境科学研究设计院,西安710061)摘 要 聚合物锂离子电池的发展对聚合物电解质提出了更高的要求,促使人们开发性能优良的凝胶聚合物电解质。
综述了近年来凝胶聚合物电解质的发展状况,主要论述了凝胶聚合物电解质的结构与性能以及几种典型的凝胶聚合物电解质的制备。
关键词 凝胶聚合电解质,丙烯酸酯类聚合物The progress in study of acrylate gel polymer electrolytesXiao Feng Zhao Xudo ng(Shaanxi Institute o f Env ir onm ental Science Research and Desig n,Xi an 710061)Abstract Po ly mer electro ly tes w ith better perfo rmance ar e demanded in the development of polymer lithium io nbatter ies;t her efore many att entions have been paid to g el polymer elect rolytes.T her e a re many kinds o f gel polymer elec -t rolytes:conceptio n of g el polymer electro ly tes,hist or ical development,pr operties,structure and kinds of typical g el po ly -mer electro ly tes were r eview ed.Key words gel po ly mer electr olyte,acr ylate copolymer聚合物电解质可分为两类,一类是干态聚合物电解质(DP E),此类电解质的室温离子电导率较低(10-4~10-5S/cm),目前仍难于在电池中使用;另一类就是凝胶聚合物电解质,它是由聚合物、增塑剂和锂盐通过一定的方法形成的具有合适微结构的聚合物网络,利用固定在微结构中的液态电解质分子实现离子传导,它的室温电导率一般在10-3S/cm 数量级,是最有希望应用于锂离子电池中的聚合物电解质。
1 聚合物电解质应具有的性能聚合物锂离子电池的关键是制备聚合物电解质,其性能好坏直接影响锂离子电池的性能优化和提高。
作为锂离子电池的聚合物电解质必须满足以下几个基本要求:(1)较高离子电导率。
为了达到液态电解质锂离子电池mA/cm 2数量级发电能力,聚合物电解质需要具有至少10-3S/cm 数量级的电导率。
(2)较高的锂离子迁移数。
大多数现有电解质体系(包括液态电解质和聚合物电解质)的迁移数都<0 5,即锂离子对电导率的贡献不足一半。
(3)化学和电化学稳定性好。
由于电解质膜插在正负极之间,因此,当电解质与电极直接接触时不希望发生化学副反应,这就需要聚合物电解质有一定的化学稳定性;另外,为了得到一个合适的实用温度范围,聚合物电解质必须要有良好的热稳定性;最后电解质还必须有一个相对于L i/L i +的0~4 5V 的电化学稳定窗口,以满足高电位电极材料充放电电压范围内电解质的电化学稳定性和电极反应的单一性。
(4)有一定的机械强度。
聚合物电解质在电池中还起到了隔离正负极的作用,这就要求它具有足够的机械强度来支撑正负极片,防止电池内部短路。
2 几种典型的凝胶聚合物电解质从1975年凝胶聚合物电解质(GP E)首次报道以来,有多种体系的凝胶聚合物电解质得到了开发和研究,其中研究的最为详尽的、也是性能最好的GP E 体系是聚环氧乙烷(P EO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PM M A)、聚丙烯腈(PA N )和聚偏四氟乙烯(PV DF)四种聚合物及其衍生物体系凝胶型聚合物电解质。
2.1 PEO 体系GPE为了提高P EO /锂盐性纯固态聚合物电解质的电导率,研究人员尝试了多种改性方法。
通过共混、共聚、接枝和交联等方法降低了聚合物的结晶度和玻璃化转变(T g )温度,从而使其电导率有所提高,但与实用化的要求还有一定的差距。
增塑剂可以降低结晶度、提高链段的运动能力和锂盐的解离度。
有研究通过添加有机溶剂对P EO/锂盐电解质进行增塑处理,发现其导电性能明显提高。
Ito 等制备了用聚乙二醇(PEG )增塑的P EO -L iCF 3SO 3电解质,并测量了其离子电导率。
发现随着P EG 浓度的增加,离子电导率也随之增加。
电导率增加的主要原因是结晶度的降低和体系自由体积的增大。
但同时,离子电导率的增大相反地伴随着差的界面性能的形成,这是由于末端羟基的存在[1]。
为了解决这一问题,研究人员又用甲氧基取代了P EG 的末端羟基[2]。
冠醚也可被作为增塑化工新型材料第36卷剂来提高聚合物电解质的离子电导率。
N ag asubramaniam和St efano[3]研究了以12-冠-4-醚增塑PEO-L iBF4体系,其最大导电率7 10-4S cm-1。
Eg ashira等[4]制备了1种含有4.5-二氰基-1,2,3-三吡咯锂盐的新型聚氧化乙烯(P EO)电解质。
这种电解质具有较高的离子电导率、电化学稳定性、热稳定性,且迁移数比其它的PEO体系高。
最近,含有L iF ePO4/P EO凝胶聚合物电解质/天然石墨体系的低能耗锂离子电池也已开发出来[5]。
该体系表现出了良好的电容保持度并且更加适合于混合电动车辆应用。
2.2 PAN体系GPEPA N体系是研究最早且最为详尽的凝胶型聚合物电解质。
PA N具有合成简单、化学稳定性高、不易燃等特点,较为适合用作基质材料,因此对于PA N基聚合物电解质的研究比较多。
Watanabe等[6-7]用1种EC和PC混合增塑剂增塑PA N和L iClO4的络合物,发现它们和凝胶聚合物电解质的增塑剂/L iClO4摩尔比有关。
A br anham和A lamg ir[8-9]研究了由38%EC、33%PC、8%LiClO4和21%PA N组成的新型凝胶,聚合物电解质的电导率有明显地增加。
根据A ppetecchi 等的研究[10],在EC中完全非晶态凝胶PA N-L iClO4(1 0 2)室温电导率是1 10-3Scm-1。
由于在PA N聚合物中不存在氧原子,因此以PA N基质凝胶的锂离子迁移数>0 5。
当使用像L iT F SI和L iT F SM这样的锂盐,迁移数还可提高到0 7[11]。
Ho ng等[11]研究了在-15~55 之间,以P A N为基质的锂盐络合物的电导率。
虽然其室温电导率达到10-4Scm-1,迁移数达到0 36,但这种材料和金属锂相容性比较好。
Choe等[12]通过包裹锂盐溶液形成胶囊而制备了P A N基质聚合物电解质,这种锂盐溶液是由LiN(CF3SO2)2、LiAsF6、LiCF3SO3和L iP F6溶解到PC和EC混合的增塑剂中。
循环伏安法研究表明了聚合物电解质具有内在氧化稳定窗口超过了5V vs L i+/L i。
Cr oce等[13]研究了含有不同锂盐(L iClO4、L iA sF6、L i (CF3SO2)2)的以P AN为基质的凝胶聚合物电解质的电化学性能。
这些聚合物电解质表现了高的离子电导率和锂离子迁移数。
但由于它们和锂电极界面的不稳定性,使得在聚合物锂电池二次应用中受到了限制。
A ppetecchi等[14]分别用增塑剂EC、DM C和锂盐L iP F6或者L iCF3SO3制备了两种不同的PA N基质的凝胶聚合物电解质薄膜。
发现这些薄膜具有高的离子电导率和稳定的电化学窗口。
这些独特的性能使得这种薄膜适合于锂电池的应用。
虽然PA N基聚合物电解质具有一定优异性能,例如在20 下具有高的离子电导率,可到达了10-3Scm-1数量级,其电化学稳定性也可达到4 5V,锂离子迁移数达到0 6,从而弥补了它和锂金属阳极差的相容性在实际的应用。
但另一个方面研究表明,锂电极和以PA N为基材的聚合物电解质接触时会受到严重的钝化从而其影响了循环性能,最后产生安全隐患[15]。
2.3 PMMA体系GPEPM M A由于M M A单元中有一羰基侧基,与碳酸酯类增塑剂中的氧能发生较强的相互作用,因此能够吸收大量的液体电解质溶液,并表现出很好的相容性。
另外,PM M A原料丰富、制备简单、价格便宜。
因而PM M A为基质的聚合物电解质体系引起了研究者的极大兴趣。
Iijima和T oy og uchi[16]在1985年首先提出了用PM M A 作为凝胶电解质的基质材料。
后来,Appetecchi等[17]主要研究了P M M A凝胶电解质和不同增塑剂,发现电化学稳定窗口取决于聚合物主链和锂盐的络合。
Bo hnke等[18]研究了PM M A-L iClO4/PC薄膜的流变性能和电化学性能。
在各种性能方面P M M A增加了大分子溶液的黏度。
相反地,电导率降低是由于P M M A的添加而引起。
但是,室温电导率保持不变接近于液体电解质的电导率。
DSC 分析表明了热稳定性在-110~240 。
在凝胶电解质中,聚合物的含量和由P M M A、L iClO4和PC组成的凝胶聚合物电解质的电导率和黏度之间有着必然的联系[19]。
Bohke等[19]研究发现,随着聚合物含量增加,聚合物电解质的室温离子电导率会降低到5 10-3~5 10-5 S cm-1范围内。
Stallw ort h等[20]利用DSC和NM R对P M M A基质聚合物电解质进行了研究。
D SC分析表明,聚合物薄膜只有1个T g温度,这说明该体系是共溶体。
朱伟等[21]制备了以PM M A为基质的凝胶聚合物电解质,并研究了其电化学性能。
结果发现,以PM M A为基质的凝胶电解质室温电导率超过10-3S cm-1,电导率和温度关系服从V T F方程,电化学稳定区大于4 5V(vs L i/L i+),这对锂电池中电极对的安全工作是有足够的宽度的。
同时还发现,用PC作为增塑剂,电解质用于二次固态锂电池时,由于PC对金属锂电极界面的腐蚀,会降低固态锂电池的循环性能,影响电池的寿命。
2.4 PVDF体系GPE由于-C-F是很强的电子收缩基团,PV DF基聚合物电解质具有较高的抗阳极氧化能力。