摘 要

21世纪作为信息时代，人们的生活已经与电子产品紧密地联系在了一起。而电池作为重要的能源供应器件，也越来越受到受到社会重视。锂作为常见的电池负极材料，其理论比容量高达3800 mAh/g。然而作为锂电池电解质的有机液体具有易爆，有毒溶液泄漏的风险。因此，固态电解质锂电池进入了人们的视野。其拥有安全、机械性能好、易于加工的优点，同时也有离子电导率较差、寿命较差的缺点。聚乙二醇PEG型固态电解质离子导电性相对较好，因此受到了广泛关注。

本实验通过热处理工艺结合真空热固化反应制备PEG-多孔SiO₂复合固态电解质。主要研究成果如下：

1. ：成功使用多孔SiO₂材料制备了高温稳定性优异且离子电导率良好的PEG-多孔SiO₂复合固态电解质。
2. ：将复合固态电解质电解质组装成电池进行电化学测试，其离子导电率达到6×10^-4 S/cm，充放电循环寿命提升至30次。

关键词：稻壳灰多孔SiO₂；PEG固态电解质；电化学性能；热稳定性

Abstract

The 21^st century is the era of information, people’s life are deeply connected to electronic devices. As the battery is the vital energy supply device, it gets more and more attention from the society. Lithium is the most common used anode material, it has a theoretic specific capacity of 3800 mAh/g, . However, the lithium ion battery uses organic liquid as electrolyte, has the danger of explosion and leaking of the toxic solution. Hence, the solid state electrolyte has come into people’s sight. because of better safety, mechanic property, and tractable. But it’s also has disadvantage like bad ionic conductivity and short lifetime. Comparing to other solid state electrolyte，the polyethylene glycol PEG solid state electrolyte has better ionic conductivity, so it draws a large attention. This experiment has prepared PEG-porous SiO₂ solid state electrolyte via heat process and vacuum heat solidify method, the results are as follows:

1. : Successfully prepared PEG-porous SiO₂ composite solid state electrolyte with an excellent high temperature stability and good ion conductivity by using porous SiO₂ material.
2. : Assemble the composite solid state electrolyte to cell and running the electrochemical test, it’s ion conductivity can up to 6×10^-4 S/cm and it’s lifetime is expanded to 30 times.

Key Words：Rice shell ash porous silicon dioxide; PEG solid state electrolyte; Electrochemical properties; Thermal stability

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂离子电池介绍 1

1.2.1 锂离子电池的正极 1

1.2.2 锂离子电池的负极 2

1.2.3 锂离子电池的电解质 3

1.3 PEG/PEO型固态电解质研究现状 3

1.4 选题的目的、意义和主要研究内容 4

第2章 PEG-多孔SiO₂复合电解质电池的制备及表征方法 6

2.1 实验用试剂和仪器 6

2.1.1 实验用试剂 6

2.1.2 实验用仪器 7

2.2 PEG-多孔SiO₂复合电解质的制备方法 7

2.2.1 多孔SiO₂的烧制 7

2.2.2 LiCoO₂电极的制备 8

2.2.3 PEG-SiO₂复合电解质的制备 9

2.3电池的组装 10

2.4 样品的测试及表征 10

2.4.1 多孔SiO₂的表征 10

2.4.2 PEG-SiO₂复合电解质的表征 11

2.4.3电化学性能测试 11

第3章 PEG-SiO₂复合电解质的表征及电池的性能测试 13

3.1 多孔SiO₂材料分析 13

3.1.1 X射线衍射（XRD）图谱 13

3.1.2 扫描电子显微镜（SEM）图像分析 14

3.1.3 BET比表面积测试 15

3.2 PEG-SiO₂复合电解质分析 15

3.2.1 综合热分析 15

3.3电池电化学性能分析 16

3.3.1 交流阻抗谱（EIS）测试 16

3.3.2 恒流充放电测试 17

第4章 结论与展望 19

4.1 结论 19

4.2 展望 19

参考文献 21

致 谢 23

附录1：论文所用原材料费用一览表 24

附录2：论文测试及分析费用一览表 24

第1章 绪论

1.1 引言

在现代，由于人类大量使用煤、石油、天然气等不可再生的化石燃料，导致全球环境与气候逐渐恶化，并产生了能源危机。所以发展如太阳能、风力、水力等绿色清洁能源的技术获得了全世界普遍的关注。而电池技术作为绿色清洁能源发展的关键节点，也就具有十分重要的研究意义。锂离子电池由于其理论比容量大，易于制作生产，成本合理，绿色环保从而得到了市场的青睐。目前市场上绝大部分的蓄电池都是锂离子电池。

自从上世纪90年代由John·B·Goodenough发明了锂离子电池以来，商用锂离子电池的电解质主要均为液态，常以有机液体，如醚类、碳酸酯类、羧酸酯类物质作为溶剂，以LiPF₆、LiAsF₆、LiClO₄等作为溶质来完成锂离子的传导^[1]。液态电解质的优点在于生产成本低，易于塑形，离子电导率高。但是电池在充电时，锂离子电池在阳极表面的不均匀沉积会产生锂枝晶，枝晶过长折断会导致活性物质损失，从而降低电池容量。且若枝晶刺穿隔膜，则会使正负极直接接触，导致短路，甚至引起火灾爆炸。并且由于液态电解质使用有机液体作为溶剂，本身即有易燃易爆的缺陷。液态电解质还有着机械强度低，易损坏的缺点。以上缺陷在电池越做越轻薄，人们对于电器安全越来越重视的今天，成为了锂离子电池发展的关键掣肘。

固态电解质是将锂离子电池中的有机液体换成固态物质进行离子传导。由于固态电解质本身具有一定的机械强度，因此能提高电池的抗机械冲击能力，还可以抑制在阳极-电解质界面上的枝晶生长，从而延长电池的循环使用寿命，并大幅提升电池的安全性。固态电解质可以选用低可燃性的物质，进一步减少火灾的发生率。目前主流的固态电解质按化学组成可分为聚合物型、无机型、复合型三种材质。无机固态电解质采用陶瓷进行导电，有抗枝晶生长能力强的优点，同时有生产难度高，离子电导率低，脆弱的缺点。有机固态电解质常使用聚环氧乙烷PEO、聚乙二醇PEG等有机聚合物进行导电。相比陶瓷固态电解质，其易于生产加工，但机械强度较低，且也有离子电导率低的特点。复合固态电解质是将有机和无机材料进行复合，得到综合了两方优点的固态电解质。^[2]

• 1. 锂离子电池介绍

1.2.1 锂离子电池的正极