高锂离子迁移系数导电聚合物电解质的研究

To solve energy problems, reduce environment pollution and emission of carbon dioxide, it is necessary to increase the utilization efficiency of the energies. To adopt electric vehicles and large-scale of energy storage devices are effective ways, which need chemical power sources. Lithium ion batteries, novel Li/S rechargeable batteries and Li/air batteries are regarded as promising chemical power sources. However, their further development urgently needs new polymer electrolytes with high lithium ion transference number (> 0.5) to improve their safety and performance at large current densities. In this project, on the basis of our former research work on polymer electrolytes, design and synthesis of polymer electrolytes with high lithium ion transference number such as single ion polymer electrolytes will be carried out according to the effects of different groups. The effects of different structure units and components in the synthesized polymer electrolytes on lithium ion transference number, lithium ion conductivity and thermal stability will be investigated, and their influence on the performance of electrode materials for lithium ion batteries and some new energy storage systems will be systematically studied. Based on the above results, modification and optimization will be further performed to achieve some polymer electrolytes of high lithium ion transference number and excellent comprehensive performance so that a solid theoretical base for the further development of electric vehicles and large-scale energy storage systems can be established.

为了解决能源问题、减少环境污染和二氧化碳的排放，非常有必要提高能源的利用效率，其中有效的方式包括采用电动汽车和大型的储能体系，而它们均需要化学电源。锂离子电池和新型的锂/硫电池、锂/空气电池认为是最有前景的二次化学电源，但是它们的进一步发展均迫切需要新型的高锂离子迁移系数(>0.5)的聚合物电解质，以进一步提高安全性能和大电流性能。本项目将在我们前期研究聚合物电解质的基础上，针对不同基团的影响，开展单离子聚合物电解质等具有高锂离子迁移系数材料的设计、合成，深入研究这些聚合物电解质中不同结构单元和组分对于锂离子迁移系数、锂离子导电率、热稳定性等物理和电化学性能的影响，系统研究它们对锂离子电池电极材料和一些新型储能体系性能的影响；在此结果的基础上，进行改性和优化，获取部分综合性能优良、具有高锂离子迁移系数的聚合物电解质，为电动汽车和大型储能体系的进一步发展奠定良好的理论基础。

为了解决能源问题、减少环境污染和二氧化碳的排放，非常有必要提高能源的利用效率，其中有效的方式包括采用电动汽车和大型的储能体系，而它们均需要化学电源。目前公认的锂离子电池和新型的二次化学电源均迫切需要高锂离子迁移系数(>0.5)的聚合物电解质，以进一步提高安全性能和大电流性能。本项目在我们前期研究聚合物电解质的基础上，首先通过理论计算，模拟、计算了聚合物电解质中离子迁移的大小，研制了含硼的单离子聚合物电解质，并通过复合，提高了这些单离子聚合物电解质的机械性能；首次探索了可再生的纤维素作为聚合物电解质基体的性能，研究了多种制备方法，并通过与PVDF、无纺布等材料复合，不仅改善了加工性能，而且提高了电化学性能，例如机械强度达到约40MPa，120oC下液体电解质的保持率达70%，室温离子导电率达到1.5 mS/cm，锂离子迁移系数达到0.58，电化学窗口达到5V；发明了无孔聚合物电解质膜，并研究了其在动力锂电池中的可能应用前景。采用我们研制的聚合物电解质，构筑了新型的储能体系，例如设计了高电压的Mg二次电池、高能量密度的水溶液锂电池。这些方面的成果在Energ. Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.等专业SCI期刊上发表26篇文章，申请我国发明专利3项和国际PCT1项，出版英文著作1本和2章节英文。这些研究成果获国内外同行的好评，包括中国工程院院士陈立泉研究员、美国西北太平洋实验室高级经理Jun Liu。这有利于推动聚合物电解质的前沿探索和应用。同时，培养了7名硕士生和2名博士生，其中3人获国家奖学金。组织1次IUPAC的国际会议，参与2次IUPAC国际会议的组织，在国内外学术会议上作邀请报告、主题报告、大会报告20余次。