聚合物稳定纳米类流体电解质的设计与电化学性能

It is essential to improve the ionic conductivity and mechanical properties of polymer electrolyte for high performance lithium-ion batteries. In this project, a novel method is developed to prepare high performance polymer stabilized solvent-free nanofluid （PSSN） electrolyte with high ionic conductivity and improved mechanical properties. The ionic nanofluids (solvent-free fluids) are prepared with grafting modification of poly(ethylene glycol) (PEG) on the surface of inorganic nanoparticles by the reaction of ion exchange or acid-base neutralization. The surface property and fluidity of inorganic nanoparticle are tuned by size of nanoparticle, molecular weight and grafting density of PEG. The polymer stabilized electrolyte （PSE） based on ionic nanofluid is prepared by a combination of molecule design and in-situ radical polymerization technique. The nanopaticle modified by ionic compound can inhibit crystallization of polymer, and the PEG grafted on nanoparticle can be used as a new channel for ionic conduction, which will result in the improvement of ionic conductivity of PSE. Moreover, the crosslinked network of polymer matrix can improve the mechanical properties of PSE. The effects of stucture of ionic nanoparticle, composition of polymer electrolyte material on the ionic conductivity, ionic mobility, and the mechanical properties of PSSN electrolyte will be investigated. At last, the novel design and research method are provided to obtain polymer electrolyte with high ionic conductivity and high mechanical properties.

提高聚合物电解质材料的离子电导率和力学强度是锂离子电池高性能化的关键。本项目拟设计一种离子电导率与力学性能兼优的高性能聚合物稳定纳米类流体（PSSN）电解质材料。首先，通过离子交换或酸碱中和反应,将低分子量聚乙二醇接枝到纳米粒子表面，制备离子型纳米类流体。通过纳米粒子的粒径、聚乙二醇分子量和接枝密度调控纳米类流体的表面性质和流动特性。通过分子设计和原位自由基聚合，合成基于离子型纳米类流体的聚合物稳定电解质。一方面，纳米类流体既可以抑制聚合物基体的结晶，接枝的聚乙二醇还可作为离子传导新通道，有效提高聚合物电解质的离子电导率；另一方面，所形成的聚合物三维网络将为电解质材料提供较高的力学强度。通过研究离子型纳米类流体结构、电解质材料组成对PSSN电解质离子电导率和力学性能的影响，探讨其离子传导机制，为制备高电导率、高强度聚合物电解质材料提供新的设计思路和研究方法。

本项目通过无机填料复合构建复合聚合物电解质 (CPEs)、采用交联共聚法对PEO基固态电解质进行改性，为聚合物电解质的发展提供了新思路。首先，制备了离子键修饰的纳米SiO2 (IBNs) 和共价键修饰的纳米SiO2 (CBNs) 两种无机填料，并分别将这两种填料与锂盐/PEO混合，通过物理掺杂制备了不同类型的CPEs。填料结构与电解质组成之间的协同效应是改善CPEs性能的关键。其次，通过UV辐照制备的PEO基交联网络聚合物电解质具有高的机械强度，但其脆性较大。对PEGMA和PEGDA 进行可逆加成-断裂链转移聚合，所制得的电解质具有较好的柔性。同时，电解质的离子电导率随PEGMA含量的增加而升高。在此基础上，向体系中掺杂IBNs制备了CPEs，材料的离子电导率得到明显改善。再次，通过巯基-烯反应制备了一系列具有可控网络结构的新型柔性有机-无机杂化固态电解质 (cnHSEs)。cnHSEs兼具复合聚合物电解质及交联网络聚合物电解质的优势。同时，cnHSEs具有较宽的电化学氧化电位。此外，cnHSEs表现出对磷酸铁锂和钴酸锂多种正极材料良好的兼容性，由其组装的电池也显现出稳定的可逆充放电循环性能。最后，设计一种具有自愈合性能的有机-无机杂化聚合物电解质。该聚合物电解质基体中含有的大量氢键可增加电解质的粘附性，在电池装配过程中能紧密地粘附在电极表面，从而获得良好的电解质/电极兼容性能，进而提高锂电池的电化学性能。这为研究高电压柔性锂金属电池用聚合物电解质提供了有效的方法。