嵌段聚合物用于鋰硫電池電極粘結劑及電解質的研究.pdf

1、傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度較低。以過渡金屬氧化物為正極材料的電池能量密度理論最大值也僅為350～400 Wh·kg-1。此外，過渡金屬氧化物正極材料價格昂貴，是限制鋰離子電池在電動汽車等領域廣泛應用的重要原因之一。以硫為正極材料的鋰硫電池理論能量密度最高可達2600 Wh·kg-1，同時硫正極材料具有資源豐富、價格低廉、環(huán)境友好等特點，因此，鋰硫電池極具發(fā)展?jié)摿蛻们熬?。然而，鋰硫電池存在活性物質導電性差、中間產(chǎn)物多硫化物易溶于電解液引起

2、硫穿梭及放電過程中硫電極體積膨脹等問題，導致鋰硫電池活性物質利用率低、循環(huán)壽命短，嚴重限制了鋰硫電池的商業(yè)化應用。此外，鋰硫電池中使用的醚類電解液存在易燃、漏液等安全隱患。本論文從硫電極粘結劑和電解質方面優(yōu)化電池設計，改善鋰硫電池性能，主要研究內容和結果如下:
　　為了解決硫電極充放電過程中體積變化、硫穿梭的問題，通過可逆加成-斷裂鏈轉移(RAFT)乳液聚合首次設計合成了聚苯乙烯-b-聚丙烯酸正丁酯-b-聚苯乙烯(SnBAS)三嵌

3、段共聚物作為硫電極粘結劑。通過調配粘結劑中組分苯乙烯/丙烯酸正丁酯(St/nBA)質量比率獲得兼具高力學強度及高電解液溶脹率的電極粘結劑。高力學強度可以在電極體積發(fā)生變化時保持電極結構的完整性;高電解液溶脹率可以提高鋰離子的遷移速率，改善電池倍率性能，提高活性物質利用率。此外，粘結劑中的羧基、酯基、醚氧基等極性官能團可與多硫化物相互作用，降低硫穿梭，提高電池的放電比容量及庫倫效率。將該粘結劑用于制備硫電極，所得硫正極分別在0.1C、0.

4、2C、0.5C、1C、2C、0.1C倍率充放電后，再次以0.2C倍率充放電所得放電比容量為781 mAh·g-1，與首次充放電時的放電比容量1061mAh·g-1相比，容量保留率為73.6％。電極繼續(xù)100次循環(huán)后放電比容量為740 mAh·g-1，容量保留率為94.7％，每次充放電的平均容量衰退率為0.05％。
　　為緩解硫穿梭，從根本上消除液態(tài)電解液易燃、電池漏液等安全隱患，本文通過RAFT溶液聚合設計合成了聚苯乙烯-b-聚（

5、聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯）-b-聚苯乙烯(PS-b-PmPEGA-b-PS)嵌段共聚物，摻雜高氯酸鋰鹽(LiClO4)作為聚合物電解質(SPEs)。嵌段結構的聚合物電解質結構中，苯乙烯相提供機械強度，利于制備薄膜，隔離正負極。側鏈結構的聚乙二醇單甲醚丙烯酸酯相中EO與鋰離子的絡合-解離作用，通過鏈段的局部運動實現(xiàn)鋰離子的遷移運動。EO鏈段放在側鏈的結構設計增大了EO鏈段的運動能力，并在室溫即可避免結晶的發(fā)生。所得全固態(tài)電解質在25℃時測得