“结构自组装”过程用于构建单离子传导聚合物电解质隔膜多孔结构的机理及性能研究

As the high lithium ion transference number of single ion conducting polymer electrolyte (unity or approach to unity), the higher cell efficiency of lithium ion secondary battery can be achieved. The preparation technology of porous polymer electrolyte membrane is one of the key technologies for lithium ion battery. In the present proposal, the new method was proposed for the construction of porous structure of single ion conducting polymer electrolyte membrane via the “structure self-assembly” process between single ion conducting polymer electrolyte and binder. The most promising innovation point is that pores are directly generated from the self-assembly of polymer blends during evaporation of the solvent, arising from the incompatibility between the SIPEs and the binder. As it requires neither a pore-making agent nor an equipment, the procedure is high efficient, the simple operation, low cost and high performance by nature. To achieve a sophisticated technology, we are going to carefully investigate the mechanism of the self-assembly process. The external factors on the “structure self-assembly process” will be explored. The study will then also focus on the relationship between the molecular structure of single ion conducting polymer electrolyte and the porous structure of membrane. Finally, the structure-properties relationships between the porous structure of the single ion conducting polymer electrolyte membrane and single ion conducting polymer electrolyte membrane or lithium ion battery devices will be evaluated by determining the properties of both porous single ion conducting polymer electrolyte membrane and constructed battery device, which has special importance on both scientific researches and practical applications.

单离子传导聚合物电解质由于具有优良的锂离子迁移数（接近或等于1），可使锂离子二次电池获得更高的电池效率。聚合物电解质隔膜多孔结构的制备是锂离子电池的核心支撑技术之一。为此，本项目提出利用单离子传导聚合物电解质与粘结剂之间的“结构自组装”过程，用于构建单离子传导聚合物电解质隔膜多孔结构的新方法。此方法最大优点是隔膜的多孔结构是在成膜过程中通过结构自组装自发产生的，无需造孔剂或造孔设备等的使用，因而是一种高效、环保、易操作、低成本和高性能的多孔膜制备技术。为将其形成成熟的多孔膜制备技术，本项目拟对结构自组装过程及相关性能展开研究。详细内容如下：首先加强对结构自组装过程机理的研究。在此基础上揭示外在因素对结构自组装过程的影响规律及主次关系；进而研究电解质分子结构与隔膜多孔结构之间的影响关系。最后研究多孔结构与隔膜自身及锂离子电池性能之间的构-效关系。因此，本项目具有基础科研和实际应用双重价值。

锂离子电池蕴藏着巨大的商业应用价值，是国家十三五计划重点扶持的电化学储能器件之一。聚合物电解质隔膜多孔结构的制备技术是锂离子电池的核心支撑技术之一，也是提高锂离子电导率，降低界面电阻，获得高性能电解质隔膜的有效途径。为了满足单离子传导聚合物电解质隔膜多孔结构制备技术的易操作，低成本和高性能的要求，本项目拟提出利用单离子传导聚合物电解质与粘结剂之间不相容性的特性，通过结构自组装过程（相分离过程）构建隔膜多孔结构的新方法；为将其形成成熟的应用技术，本项目拟对结构自组装过程的机理进行探究；并对结构自组装过程的外在影响因素进行系统地研究，揭示各影响因素对结构自组装过程的影响规律及主次关系；对单离子传导聚合物电解质分子结构与隔膜多孔结构之间的影响关系进行探索。最后，对单离子传导聚合物电解质隔膜的多孔结构与隔膜及锂离子电池器件之间的构-效关系进行研究，为其商业化应用奠定理论和技术基础。..在前期工作的基础上取得了一系列较好的结果，成功将原位聚合与结构自组装过程相结合制备出兼具良好的大尺度多孔结构和分子尺度上的锂离子连续传递通道的多孔单离子传导聚合电解质隔膜；采用非溶剂诱导相分离法制备出高孔隙率，高电解质吸附量，高浸润性和高机械稳定性的多孔单离子传导聚合电解质隔膜；采用静电纺丝法制备出高孔隙率和高性能的多孔单离子传导聚合物电解质隔膜。使锂离子电池的性能达到1C充放电条件下可获得110mAh/g的比容量，而且1000个循环以后的电池衰减率很低。另外，采用静电纺丝法成果制备出低成本的磺化聚醚醚酮锂单离子传导聚合物电解质隔膜替代传统的PP多孔膜用作锂电池的隔膜，获得了优异的电池性能，研究成果相继发表在Journal of Power Sources, Journal of Membrane Science, Advanced Energy Materials, Journal of Materials Chemistry A等国际著名期刊上。研究成果为新型单离子传导聚合物电解质在锂离子（锂金属）电池中的商业化应用奠定理论基础和实践参考。