超级电容器复合聚合物电解质的制备及研究

作     者：杨倩韵 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于欣伟

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超级电容器 聚合物电解质 改性 相转化法 

摘      要：当前社会面临的能源问题对新能源汽车产业来说既是机遇也是挑战。国家大力支持新能源汽车的普及,但其仍然存在续航公里数少,充电速度慢等问题。超级电容器由于其功率密度大,具有快充快放的特点,在混合动力汽车市场中具有巨大的应用潜力。其中工作电解质是决定其性能的关键组成之一。目前应用最广泛的液体电解质,其工作电压高,电导率高,但存在易漏液的安全性问题。聚合物电解质在功能上同时兼具隔膜与电解质的作用,而且不漏液、易封装,解决了安全性问题。但聚合物电解质由于存在电导率低、机械性能较差、热稳定性低等缺点,因此实用性较低。本文通过共混、共聚、掺杂纳米颗粒对聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)基聚合物进行改性,制备复合凝胶聚合物电解质,以解决上述问题。通过红外光谱(FTIR)、热重分析(TG)对聚合物进行表征;采用吸液率测试、拉伸性能测试、扫描电镜(SEM)、热收缩率测试、电化学性能测试等方法研究了聚合物膜及其对应凝胶聚合物电解质的性能,主要结果如下:1.采用乳液聚合法合成共聚物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),并与PVDF-HFP共混改性,得到PVDF-HFP/PMMA凝胶聚合物电解质。通过单因素法确定工艺条件范围,响应面法得出最优制备工艺条件,对PVDF-HFP/PMMA聚合物膜及其相应的凝胶聚合物电解质进行表征。结果表明,最佳制备工艺条件为:PVDF-HFP和PMMA与溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的固液比19.68%,聚合物比例PMMA:PVDF-HFP=3.04:6.96,初成膜时间2.22 h,相交换时间1.95h。将PVDF-HFP/PMMA聚合物膜浸泡于1 mol/L四氟硼酸四乙基铵/AN:DMC:EC(体积比1:1:1)电解质中得到凝胶电解质后,其电导率可达2.61×1033 S/cm。在充放电电流为0.5 A/g,电压范围为0-2.5 V的条件下循环1000周后容量保持率为83.70%,拥有较好的循环性能。2.以丙烯酸丁酯(BA)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体,乳液共聚法合成丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸甲酯的交联共聚物(P(BA-co-MMA)),并与PVDF-HFP共混改性,制备P(BA-co-MMA)/PVDF-HFP聚合物电解质。研究了聚合单体的比例对聚合物膜拉伸性能的影响,以及该凝胶聚合物电解质的电化学性能。结果表明,当BA:MMA=3:2时,拉伸强度可达25.22%,吸液率为254.28%,电导率为1.84×10 S/cm,热分解温度为235℃,符合超级电容器的实际应用要求。以该聚合物膜作为主体的凝胶电解质与PVDF-HFP/PMMA、商用PP隔膜相比,电化学性能更优异。电流密度为1.0 A/g时,比电容为37.12 F/g,充放电效率87.71%,能量密度32.22 Wh/kg,1000周的容量保持率为85.30%。3.若直接掺杂纳米颗粒,易团聚难以分散,改性效果不明显。本文通过两步法制备得到聚甲基丙烯酸甲酯表面改性的纳米二氧化硅(PKS),能较好的分散在P(BA-co-MMA)/PVDF-HFP聚合物电解质中,得到有机-无机掺杂复合聚合物。通过条件实验,考察PKS的掺杂量对电解质的微观结构、热收缩性及对应超级电容器的电化学性能的影响,确定最佳掺杂量。结果表明当PKS的添加量为10 wt%时,对应的双电层电容器具有最优异的超电容性能:在0-2.5 V,电流密度1.0 A/g条件下,比电容为38.36 F/g,充放电效率93.19%,能量密度33.29Wh/kg,功率1.25 kw/kg,循环1000次,容量保持率89.70%。