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复合固态电解质的制备及在金属二次电池中的应用研究

复合固态电解质的制备及在金属二次电池中的应用研究

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作者：许雨婷湖南农业大学

学位级别：硕士

随着化石能源危机、环境污染的加剧以及便携式电子设备和动力汽车的发展,高能量密度的储能设备引起人们广泛关注。诸如锂、锌等金属作为二次电池的负极拥有超高理论比容量。然而,枝晶、低的充放电效率、有机电解液的泄漏以及着火爆炸等... 详细信息

随着化石能源危机、环境污染的加剧以及便携式电子设备和动力汽车的发展,高能量密度的储能设备引起人们广泛关注。诸如锂、锌等金属作为二次电池的负极拥有超高理论比容量。然而,枝晶、低的充放电效率、有机电解液的泄漏以及着火爆炸等安全性问题严重制约了电化学储能设备的进一步发展。基于此,本论文从金属二次电池的安全性及稳定性着手,制得的复合固态电解质表现出高的离子迁移数和与电极材料优异的相容性,通过构建稳定的电极-电解质界面,降低电荷传输过程的极化,解决了金属离子非均匀沉积的问题,获得无枝晶、循环稳定、高库伦效率的金属二次电池。主要内容如下:(1)对称的渗流型复合电解质膜制备及性能研究将富含内孔道的凹凸棒石(AT)对聚乙烯膜(PE)基材进行功能化,构建了一种具有离子渗透功能的对称电解质薄膜,该电解质膜发挥了“蓄水池”功能,对电解液的吸液率和保液率提升了近4倍。电解质内部丰富的离子输送通道促进锂离子迁移,锂离子迁移数可达0.80,实现了无枝晶生长。此外,对称层具有良好的热稳定性,增加电池的安全性。以磷酸铁锂为正极组装的锂金属二次电池循环400圈(长达半年)后容量保持率为84%(0.2 C),平均库伦效率为99.97%且无枝晶形成。此外,匹配钴酸锂正极的电池在高压(4.3V)同样发挥良好的倍率性能,5C倍率下的比容量为80mAhg。(2)多级导通复合电解质-电极的制备及性能研究一方面,通过低温自聚合制备了壳聚糖(CS)和碳酸乙烯酯(EC)二维复合电解质膜,其锌离子的迁移数高达0.72;另一方面,以电化学聚合的方式对三维导电基体上五氧化二钒(VO)进行聚吡咯包覆,构建具有二级导电网络的正极。基于此电解质和正极,与金属锌组装成电池,表现出优异的可逆性和小的极化,在0.3Acm的电流密度下发挥501.2mAhg的放电比容量,并且在10Acm的大电流密度下仍保持309.2mAhg的放电比容量。上述结果证实了多级导通复合电解质-电极结构设计在保证电池倍率性能和循环稳定性等方面的显著效果。

关键词：金属二次电池固态电解质渗流型电解质多级导通结构界面

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