聚乙烯醇/烯丙基共聚物三维网络水性粘结剂的制备与性能研究

作     者：倪培龙 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王朝阳;魏增江

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：锂离子电池 硅碳负极 粘结剂 共聚物 三维网络 

摘      要：传统的石墨负极理论比容量较低,已经不能满足高能量密度锂离子电池的要求,具有高理论比容量的硅基负极成为了研究的热点之一。然而,硅基负极在循环过程中会发生巨大的体积变化,电极结构遭到严重破坏,活性颗粒从集流体上脱离,部分颗粒发生破碎和粉化,形成不稳定且较厚的固体电解质界面膜(SEI膜),造成电池容量急剧衰减,循环使用寿命较短,这极大地限制了硅基负极的大规模商业化应用。本文以新型多功能粘结剂的设计与合成作为切入点,旨在提高硅基负极的循环性能,延长电池的使用寿命。主要的研究内容与结果如下:在第一个工作中,本文选择含有极性基团(-COOH、-CONH)的丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)与含有亲锂基团(-SOH)的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)作为单体,通过自由基共聚合成了一种多功能的水性粘结剂,研究了五种单体比例共聚物P(AA-AM-AMPS)的性能差异。当AA、AM和AMPS三种单体摩尔比例在3:1:1至5:1:1的范围内时,三元共聚物具有较高的粘结强度(1.3 N·cm),硅碳400负极的初始库仑效率均高于92%,在0.5 C电流密度下循环500圈后充电比容量均高于307.80 m Ah·g,容量保持率均大于77.1%。其中,单体摩尔比为4:1:1的P(AA-AM-AMPS)共聚物的硅碳400负极电池具有最低的SEI膜阻抗(8.26Ω)和电荷传递阻抗(17.33Ω),且倍率性能和循环稳定性最佳,在0.2 C的电流密度下循环80圈后,其充电比容量为370.39m Ah·g,容量保持率为93.7%,而在0.5 C的电流密度下循环500圈后的充电比容量为322.48 m Ah·g,容量保持率高达80.8%。在第二个工作中,本文在第一个工作的研究基础上,引入了具有大量羟基的聚乙烯醇(PVA),在聚乙烯醇水溶液中进行AA、AM与AMPS的自由基共聚,合成了具有可以缓解电极体积变化的三维网络结构的粘结剂,研究了不同聚乙烯醇含量的三维网络聚合物对电池性能的影响。与线性的粘结剂相比,由极性基团之间氢键交联形成的三维网络结构粘结剂,能够提供更多的连接位点,形成更多的氢键,粘结强度得到极大提高。其中,PVA含量为10 wt%的三维网络聚合物,具有最高的粘结强度(3.44 N·cm),最低的SEI膜阻抗(6.05Ω)和电荷传递阻抗(17.53Ω),在0.2 C的电流密度下循环80圈后,其充电比容量为372.38 m Ah·g,容量保持率为95.3%,在0.5 C高电流密度下循环500圈后,仍具有329.86 m Ah·g的高比容量和82.0%的高容量保持率。实验结果表明适当PVA含量的三维网络粘结剂可以显著提高硅基电极的循环稳定性和倍率性能。