摘 要

不断增长的能源需求需要发展新的可充电电池系统，要求二次电池具有高能量密度、高安全性、并具有环境友好的特点。聚合物电解质在电池中起着极为重要的作用，直接影响着电池的使用性能。

本论文提出的全固态聚合物电解质可以用于新型的二次电池。更好的离子电导率才会使电池具有更好的利用前景，这样一来，我们探究了一种有可能对离子有较好的传导作用的固态聚合物电解质。我们选择聚氧化乙烯为基体骨架，通过掺杂塑晶小分子材料丁二睛制备的一种由PEO大分子材料，丁二腈塑晶体和季胺氯盐等复合的全固态聚合物电解质材料，采用溶液挥发成膜的方法制备了电解质膜。采用测定电解质膜测定电阻的方法对电化学方面的性能进行了比较专业的实验探究。本论文的研究目的是在保证电解质膜离子电导率较高的情况下，我们还可以让膜有较好的力学性能。

本实验需要着手解决二次电池用PEO粉末/丁二腈/季胺氯盐全固态聚合物电解质的制备方法，并通过测定离子电导率、电池性能探索如何提高聚合物电解质电化学性能以及安全稳定性的问题。在能够让它本身可以承受一定外力下，获得常温下具有相对不错的离子导电能力和耐外界环境变化的电化学性的阴离子传导固态聚合物电解质材料。

关键词：全固态聚合物电解质 离子电导率 循环充放电

Preparation and Properties of All-solid-state Polymer Electrolytes Doped with PEO-based Anions

Abstract

Growing energy needs to develop new rechargeable battery systems that require secondary batteries with high energy density, high safety, and environmentally friendly features. Polymer electrolytes play a very important role in the battery, a direct impact on the use of the battery performance.

This paper presents an all-solid polymer electrolyte that can be used in a novel anion-conducting secondary battery. In order to make the secondary battery with better use value, we need to use a higher ionic conductivity of the electrolyte, so we explored a highly efficient conductance of anionic polymer electrolyte system. We selected Polyethylene oxide as the matrix, and the PEO / Succinonitrile / quaternary ammonium chloride all solid state composite polymer electrolyte was prepared by doping the plastic crystal compound. The corresponding electrolyte membrane was prepared by solution casting method. The electrochemical performance of the prepared electrolyte samples was studied by AC impedance method. In this paper, the polycrystalline compound is doped with polymer electrolyte, and it is desired to prepare all solid polymer electrolyte materials with high ionic conductivity and good film forming performance.

In this experiment, we need to solve the preparation method of PEO powder / succinonitrile / quaternary ammonium chloride solid electrolyte for secondary battery, and explore how to improve the electrochemical performance and safety of polymer electrolyte by measuring the ionic conductivity and battery performance. Sexual question. An anionic conductive polymer electrolyte material having high ionic conductivity and stable electrochemical performance at room temperature is obtained under the premise of ensuring a certain mechanical strength.

Key words: all solid state polymer electrolyte； ion conductivity； cycle charge and discharge

目录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 前言 6

1.1全固态聚合物电解质研究现状 7

1.1.1锂离子电池简介 7

1.1.2全固态聚合物电解质 7

1.1.3论文研究的内容、手段和目的 10

第二章 聚合物电解质的制备与测试 11

2.1实验原料 11

2.2 实验设备 11

2.3.1制备正极材料 12

2.3.2 电解质膜切片的制备 12

2.2.3扣式电池的组装 13

2.2.4离子电导率测试装置的装载 13

2.4 电池性能表征指标及测试方法 13

2.4.1 恒流充放电测试（GPCL） 13

2.4.2 交流阻抗法（AC Impedance） 14

2.3.4 线性扫描伏安法（Linear Sweep Voltammetry） 15

第三章 实验结果与讨论 16

3.1离子电导率测试结果对比 16

3.2电化学窗口分析 17

3.3电解质膜力学性能 18

3.4恒流循环充放电测试结果 19

第四章 总结与思考 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 前言

随着社会的发展和科技的不断进步，社会对资源的需求也在不断增长，但是自然能源（诸如：风能，地热能，水能等）受到地理条件的影响比较大，所以在人口集中的大城市主要还是依靠二次能源—电能来支持人们的日常生活。另外一方面，人们的日常生活也越来越离不开手机，这也意味着对手机电池的要求也越来越高；而目前市场上大多数的手机电池为液态电解质电池，电池内部因为液态电解质以及锂电极的存在，在使用过程中会有可能发生爆炸危险，同时也有可能因为锂的晶体化现象在充放电过程中发生，从而导致电容减小以及因为穿透半透膜发生的短路等问题。我们研究的全固态聚合物电解质电池可以解决类似问题，同时有相对更高的电容量，放电速率更低相对也较为稳定，基本不会产生泄露危险，机械强度也更高等一系列的优点。因此，全固态聚合物电解质有着优秀的市场前景和使用空间。

1993年美国Arizona州立大学Angell等第一次提出全固体聚合物电解质膜的一种全新的概念“polymer in salt”在Nature书刊中。这种橡胶类型的固体电解质是由大剂量的锂和小量PEO或PPO组成的聚合物电解质,不同于我们平常做的“salt in polymer”体系。这种新研究出的纯固态聚合物高分子材料玻璃化转变温度相对比较低,在平常室内温度下能够保持橡胶状的样子,还有具有相对高的导电性和比较优秀的电化学性能稳定的性质。这一年英国St. Andrews 大学的Bruce等刚好第一次报道了全固态聚合物电解质的晶体内部的相对结构。97年呢美国有一些科学家对增塑性的聚合物电解质进行了一定得相关方面的研究报道等等。为了改良全固态的聚合物体系电解质系统的机械方面的性质和能力,德一家叫做马普高分子研究所的人员研究制作了带有一种EO的侧链的用苯环，来支撑的聚合物类型电解质体系。21世纪初美国有报道考察了一些聚合物体系的电解质在非常短暂的时间范围内的电子一些释放的类别。这些一直不断在进行的探索和研究，从另外一个方面说明了全固态聚合物类型的电解质的广阔的应用范围，这在一些方面也是在说全固态聚合类别的电解质是材料科学类技术进行发展的非常重要的内容之一。

1.1全固态聚合物电解质研究现状

1.1.1锂离子电池简介

锂离子电池是由很简单的几部分结构组成的，包括提供电子的正极部分、接受电子的负极以及能够使电子传到的电解质等，与传统电池的流体类型的电解质不同，论文所讲为全固态聚合物电解质，不过它的工作原理与传统的循环充电电池大致相同；电量补充时，离子在正极材料表面部分析出，有传导功能的电解质部位进行传递，然后负极材料表面上获得了一个电子被还原成锂，同时生长到材料晶体格子当中，此时，正极与负极之间形成电位上的差距，在负极材料上会富含有锂材料；在释放电能过程中，负极材料上相对富含有锂的部分失去电子，再次经过具有传导能力的电解质部分，在正极材料表面得到了电子，又重新生长在正极材料表面上。这就表明了电池的电解质在电池工作过程中，有着非常重要的作用，同时也要求电解质的性能需求也在越来越高。

1.1.2全固态聚合物电解质

相对于液态电解质，SPE在常温下的导电性能相对较低，在聚合物基体中加入导电锂盐，在保证其机械强度和柔韧性能的同时，尽可能的提升其导电性能，是目前大部分研究的主要方向；不过现在很多聚合物电解质电池的工作温度是在50℃到80℃之间因为随着温度的适当升高，聚合物电解质的导电性能会有所提高；在60℃以上基本可以达到10^-4 S/cm以上，但是高温条件对电池的设计要求和正负极材料要求也较高，这些都是实际生产中要解决的问题。

传递的离子会跟活性基团的基团发成配位关系,在电场力的相关作用下,随着不断进行热力学运动的分子基团,不断发生结合一分离的往复过程,这样就可以达到相应离子传导的目的。对于“polymer in salt”体系，它的导电子的能力跟骨架大分子的分子量大小关系不是很大。当添加溶剂含量超过一定百分比后,会有一个临界点,这时继续提高含量,还会改善离子的运动能力,同时会使直径小的离子的运动加剧,提高离子导电能力。这一点与''polymer in salt ''相反,在“sale in polymer”中,当盐的浓度超过临界值后,尽管载体的数含量有了提高,但玻璃化转变温度有了明显的增加,导致运动受阻，导电能力下降。