改性SnO2纳米纤维的制备及其在固态锂电池中的应用

作     者：张禄岗 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：康卫民;孙晓斌

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：静电纺丝 Gd掺杂SnO2 PAN/PVDF纳米纤维膜 全固态锂金属电池 

摘      要：液态锂电池因电解液易渗漏易燃使其发展受到限制,使用全固态锂金属电池替代液态锂电池被认为是在具有高电池能量密度的同时,展现出优异安全性的有效方法。综合无机固态电解质高离子电导率和聚合物固态电解质良好的界面相容性,有机-无机复合电解质更适用于高能量密度固态锂电池。然而现阶段所研发的复合电解质依然存在电化学窗口窄、离子电导率低以及与电极材料兼容性差等问题。本文制备了具有中空结构的Gd掺杂SnO纳米纤维和PAN/PVDF纳米纤维膜,并将它们引入到全固态锂金属电池的聚氧化乙烯（PEO）基电解质中。该策略综合了Gd掺杂SnO纳米纤维独特的中空结构优势,富含氧空位的材料特性,以及PAN/PVDF纤维膜与锂离子之间的相互作用和强大的骨架支撑作用,使得复合电解质离子电导率提高的同时并抑制锂枝晶生长。 （1）基于静电熔吹和高温煅烧方法,制备了具有中空结构的Gd掺杂SnO纳米纤维（也简称为“纳米管）,并将其作为无机填料制备复合固态电解质。所制备的中空结构的Gd掺杂SnO纳米纤维的内外表面都可以作为锂离子快速传输的通道,并且提供了更多的有机/无机界面,有助于增强电解质的导电性。添加10 wt%Gd掺杂SnO纳米纤维的PEO基电解质在30℃时的离子电导率高达2.41×10S cm。Gd掺杂SnO纳米纤维表面的氧空位能够促进锂盐解离,进而提高了离子电导率。并且,Gd掺杂SnO纳米纤维的加入可以提高电解质的机械强度,有效抑制锂枝晶成核和生长。组装的电池在50℃和0.5 C条件下循环700次后比容量仍然保持在133.24 mA h g,高达94.4%的比容量保持率。 （2）采用静电纺丝的方法制备了PAN/PVDF纳米纤维膜,PAN/PVDF纳米纤维膜可以提供强大的骨架支撑来提高复合电解质的机械强度。PAN的腈基和锂离子之间的络合作用可以促进锂离子传输。PVDF和PEO之间的分子间氢键可以增强纤维膜与PEO之间的界面相互作用,进而改善锂离子电导率。将Gd掺杂SnO纳米纤维引入PAN/PVDF纤维和PEO基质形成的复合电解质的离子电导率在30℃时达到2.45×10S cm。另外,复合电解质的厚度仅65μm,较仅有Gd掺杂SnO纤维填料的电解质（110μm）有了极大降低,这有效地提高了电池的能量密度;使用其组装的电池在50°C和1 C条件下,300次循环之后仍然保持134.3mA h g的比容量,且比容量保持率高达91.2%。综上所述,具有优异性能的Gd掺杂SnO纳米纤维和PAN/PVDF纤维膜为新型固态电解质开发提供了思路。