CN109659601B - 一种多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质的应用 - Google Patents
一种多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质的应用,所述多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料以去离子水作为溶剂,将高分子聚合物单体、多金属氧酸盐和引发剂混合,混合均匀后加热反应,将产物过滤、洗涤、干燥,即得。本发明采用了简单的一锅反应法,通过多酸诱导自组装的方法合成的多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料,其性能优异,作为固态电解质组装在固态电池上,工艺简单,操作方便,所得电池性能优越。
Description
技术领域
本发明涉及一种多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质的应用,属于杂化纳米线材料的应用技术领域。
背景技术
电池在转换和存储能量方面发挥着重要作用。在当前可用的电池技术中,锂离子电池(LIBs)由于其高的能量密度、高输出功率和长的循环寿命而被认为是最有前途的电池。然而,由于传统的LIBs通常使用的是液体有机电解质,但液态电解质易燃、易渗漏、与碳负极材料具有很强的热反应活性,使得电池内部发生短路,在温度很高时,就发生了爆炸,导致诸如不可控的安全问题和高成本等缺点。对新一代LIBs来说,用于LIBs固态电解质的典型材料是无机材料或有机聚合物。无机固体电解质主要以LISICON型材料为主,目前研究较多,但仍存在与锂接触稳定性低等瓶颈;固体聚合物电解质(SPE)是一种由锂盐组成、与锂盐有关的无溶剂的极性聚合物基体,旨在解决液体电解质遇到的大多数问题。特别是,SPE稳定性高,工作温度范围宽、易于加工的优越的性能,是最有前途的下一代固态电解质的材料之一。
多金属氧酸盐(POMs)具有纳米尺寸、可调拓扑结构和富氧表面,在催化、传感、质子传导等众多领域引起了人们的广泛关注。POMs具有丰富的离子结构,与杂多阴离子抗衡作用,在离子导电率方面有很大的潜能。然而,作为多离子锂盐的POMs易发生离子聚集,因而呈现低离子电导率。能够将POMs均匀地分散在纳米线中以避免离子聚集,并且能够构建可调的离子通道是提高POMs的离子导电性的有效方法。
迄今,用SO3 -功能化的SPE(例如聚苯乙烯磺酸盐(PSS))已经广泛被研究。然而PSS由于缺少促进离子跳跃的官能团导致其离子电导率较低。一些工作报道了纳米线材料在质子/离子导电性方面的优势,这些优点可以创建连续的离子传输路径并显著降低界面阻挡。然而大多数商业PSS或先前报道的基于PSS的材料都是球形纳米颗粒或短纳米棒。在这种结构下Li+需要跨越巨大的界面势垒,并最终导致低离子电导率。通过控制其形貌的方法来提高PSS的电化学性能的研究甚少。因此,设计并构建具有良好纳米线形貌的PSS基材料、寻找具有足够路易斯碱基和工作离子的新型多离子锂盐是实现高离子电导率的迫切要求。
发明内容
发明目的:本发明目的在于提供一种多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质的应用。
技术方案:本发明采用如下技术方案:
一种多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质的应用,所述多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料以去离子水作为溶剂,将高分子聚合物单体、多金属氧酸盐和引发剂混合,混合均匀后加热反应,将产物过滤、洗涤、干燥,即得。
优选:
所述高分子聚合物单体选自对苯乙烯磺酸钠、烯丙基磺酸钠或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸。
所述多金属氧酸盐为基于Li,Na或K的多金属氧酸盐。
所述多金属氧酸盐选自Li7V15、HNa6V15、K7V15或K10V34。
所述引发剂选自(NH4)2S2O8、Na2S2O8或K2S2O8。
所述高分子聚合物单体、多金属氧酸盐和引发剂的用量摩尔比为1000:(5-50):(130-200)。
所述加热反应的条件为:温度为60-90℃,并保持15-25h。
将所述多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质组装在固态电池上,方法包括以下步骤:
1)将所述多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料与基于PVDF的DMF溶液混合并在室温下搅拌,之后涂膜,烘干,得基于纳米线材料的PVDF膜;
2)将LiFePO4、碳黑和PVDF进行混合,然后将浆状混合物涂在铝箔上并烘干,制成固态电池的电极;
3)以LiFePO4为正极,锂箔为对电极和参比电极,基于纳米线材料的PVDF膜为固态电解质,组装纽扣电池。
技术效果:本发明采用了简单的一锅反应法,通过多酸诱导自组装的方法合成的多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料,其性能优异,作为固态电解质组装在固态电池上,工艺简单,操作方便,所得电池性能优越。
附图说明
图1基于V15/PSS-Li的PVDF膜的SEM图和照片。
图2是本发明合成的V15/PSS-Li杂化材料的阻抗谱图(EIS)。
图3是以不锈钢为工作电极、锂金属为参比电极和V15/PSS-Li为电解质膜在扫描速率为1mV s-1的条件下的LSV测试(A),CV测试(B)
图4是根据实验技术方案1合成的V15/PSS-Li杂化材料的电池性能图,循环性能图(A),倍率性能图(B)
图5是组装固态电池(Li/V15/PSS-Li/LiFePO4)的工艺示意图。
具体实施方式
以下实施例中的多金属氧酸盐(多酸),均是按照现有文献的常规方法合成。
实施例1
室温下,在一个三径烧瓶中依次加入60mL去离子水、0.01mol对苯乙烯磺酸钠、0.05mmol-0.5mmol CH78Li7O78V15(Li7V15)和1.6mmol引发剂(NH4)2S2O8,将混合溶液在室温下搅拌30min,然后转移至油浴锅中加热至80℃并保持20h,待其自然冷却至室温后对其进行抽滤和洗涤并在150℃真空下干燥过夜,得到固体产物V15/PSS-Li-n(n=1-4),通过EDS实验测试计算当V15/PSS-Li中V与C的质量比为84.1%、80.5%、77.2%和74.9%时,分别记为n=1、2、3和4。
用X-Ray粉末衍射(PXRD)分析所得V15/PSS-Li-n(n=1-4)杂化材料的结构;用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析所得V15/PSS-Li-n(n=1-4)材料的尺寸、形貌和微结构,结果表明所得材料为一维的纳米线,利用SEM通过计算得出V15/PSS-Li-1、V15/PSS-Li-2、V15/PSS-Li-3和V15/PSS-Li-4直径分别约42、35、33和31nm,长度分别约4200、1055、373和202nm。用元素面分布图(mapping)测试所得V15/PSS-Li-1材料的成分,结果证明所得材料中含有O、S和V并均匀分布。
将所得的固体产物V15/PSS-Li-n(n=1-4)进行研磨和压片(直径4mm,厚度约2mm),然后将压成的片夹在两片金箔中间用于离子导电测试。用EIS测试,通过公式L/(R×A),计算离子电导率。R(Ohm)代表阻抗值,L(cm)代表用于EIS测试的片的厚度,A(cm2)代表用于EIS测试的片的面积。通过计算得出V15/PSS-Li-1、V15/PSS-Li-2、V15/PSS-Li-3和V15/PSS-Li-4的离子电导率。
实施例2:
本实施例中的制备过程和步骤与上述实施例1基本相同,不同的是:本实施例所用的多酸是CH85Na6O71V15(HNa6V15)、引发剂是Na2S2O8,得到固体产物是V15/PSS-Na-n(n=1-4)。
实施例3:
本实施例中的制备过程和步骤与上述实施例1基本相同,不同的是:本实施例所用的多酸是CH16K7O55V15(K7V15)、引发剂是K2S2O8,得到固体产物是V15/PSS-K-n(n=1-4)。
实施例4:
本实施例中的制备过程和步骤与上述实施例1基本相同,不同的是:本实施例所用的多酸是H40O20K10V34(K10V34)、引发剂是K2S2O8,得到固体产物是V34/PSS-K-n(n=1-3)。
实施例5:
本实施例中的制备过程和步骤与上述实施例1基本相同,不同的是:本实施例所用的聚合物单体分别是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和烯丙基磺酸钠,得到固体产物分别是V15/PAMPS-Li-1和V15/PSAS-Li-1。
实施例6
(1)固态电解质膜的制备:首先按上述实施例方法合成多酸/高分子聚合物(例如V15/PSS-Li)杂化纳米线材料,配制0.2g mL-1的基于PVDF的DMF溶液,然和将多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料(25wt%)与基于PVDF的DMF溶液混合并在室温下搅拌12h,之后用涂膜机进行涂膜并将膜置于烘箱中进行烘干(25wt%,40μm)用作固态电池的固态电解质。
(2)电极材料的制备:将LiFePO4、碳黑和PVDF以质量比7:2:1进行混合研磨,之后将浆状混合物涂在铝箔上并烘干。
(3)组装固态电池:在充有氩气的手套箱中组装CR2032型纽扣电池,其中以LiFePO4为正极、锂箔为对电极和参比电极、基于V15/PSS-Li的PVDF膜(25wt%,40μm)为固态电解质,组装固态电池(Li/V15/PSS-Li/LiFePO4)。
用扫描电子显微镜(SEM)分析所得固态电解质膜的形貌(图1),可知纳米材料均匀分布,通过照片可知其电解质膜具有很好的韧性;用EIS分析所得V15/PSS-Li杂化材料的离子导电性能(图2),可得随着温度升高,其EIS值减小,即电导率值增大;用LSV、CV分析基于V15/PSS-Li的PVDF膜为固态电解质与锂的兼容性(图3),A图可知其电解质与锂具有很好的兼容性,B图可知其电化学窗口可以达到4.5V左右。
测试结果表明本发明组装的固态电池(Li/V15/PSS-Li/LiFePO4)具有优越的电池性能。(图4A)固态电池的循环性能图,在电流密度0.5C时循环100圈容量可以稳定在150mAhg-1,显示出固态电池很好的循环稳定性;(图4B)固态电池的倍率性能图,在电流密度0.2C、0.5C、1C、0.5C和0.2C时容量分别为164.5、153.3、129.0、152.5和163.4mAh g-1,显示出很好的倍率性能。
Claims (2)
1.一种多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质的应用,其特征在于,所述多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料以去离子水作为溶剂,将高分子聚合物单体、多金属氧酸盐和引发剂混合,混合均匀后加热反应,将产物过滤、洗涤、干燥,即得;
其中,所述高分子聚合物单体选自对苯乙烯磺酸钠、烯丙基磺酸钠或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸;
所述多金属氧酸盐为基于Li、Na或K的多金属氧酸盐;所述多金属氧酸盐选自CH78Li7O78V15、CH85Na6O71V15、CH16K7O55V15或H40O20K10V34;
所述引发剂选自(NH4)2S2O8、Na2S2O8或K2S2O8;
所述高分子聚合物单体、多金属氧酸盐和引发剂的用量摩尔比为1000:(5-50):(130-200);
所述加热反应的条件为:温度为60-90℃,并保持15-25 h。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,将所述多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料作为固态电解质组装在固态电池上,方法包括以下步骤:
1)将所述多酸/高分子聚合物杂化纳米线材料与基于PVDF的DMF溶液混合并在室温下搅拌,之后涂膜,烘干,得基于纳米线材料的PVDF膜;
2)将LiFePO4、碳黑和PVDF进行混合,然后将浆状混合物涂在铝箔上并烘干,制成固态电池的电极;
3)以LiFePO4为正极,锂箔为对电极和参比电极,基于纳米线材料的PVDF膜为固态电解质,组装纽扣电池。
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