摘 要

本文首先对锂离子电池及锂硫电池体系的结构、工作原理等情况进行了简单的介绍，然后介绍锂硫电池目前遇到的问题及研究进展，通过对于这些问题的分析引入相反转法改性PVDF-HFP基聚合物凝胶电解质的解决方案，最后叙述了该方案的详细步骤并对取得的实验数据加以分析。总结出PVDF-HFP与PMMA的质量比为8：2时，聚合物基体的气孔率高（65.73%），但结晶度相对较大。用它作为凝胶聚合物电解质组装的锂硫电池循环性能好、电化学性能稳定。因此，PVDF-HFP基聚合物凝胶电解质是一种极具发展潜力的锂硫电池电解质材料。

关键词：锂硫电池 聚合物电解质 凝胶聚合物电解质 相反转法

The research on preparation of PVDF-HFP-based gel polymer electrolyte with phase inversion method and its electrochemical properties

Abstract

In this paper, structure and working principles of lithium ion batteries and lithium sulfur batteries are introduced initially. However, there exists some troubles of the lithium sulfur batteries. To solve these problems, the PVDF-HFP-based gel polymer electrolyte with phase inversion is introduced. Then the detail processes and date analysis of the experiment is recommended. Finally we draw a conclusion that the polymer matrix PMMA-20 has a higher porosity(65.73%) and crystallinity. Lithium sulfur batteries which use it as gel polymer electrolyte have a better cycle performance and electrochemical properties. Thus the PVDF-HFP-based gel polymer electrolyte is a kind of promising electrolyte material in lithium sulfur batteries.

Key words: lithium sulfur batteries; polymer electrolyte; gel polymer electrolyte; phase inversion method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂硫电池概述 2

1.2.1 锂硫电池的特点 2

1.2.2 锂硫电池的工作原理 3

1.2.3 锂硫电池存在的问题 4

1.3 锂硫电池的研究进展 5

1.3.1 硫复合正极的研究进展 5

1.3.2 锂硫电池的电解质 8

1.4本论文的研究目的和主要内容 15

第二章试剂与实验技术 16

2.1 实验主要药品与仪器 16

2.1.1 实验原料 16

2.2.2 实验仪器 16

2.2 分析与表征 17

2.2.1 聚合物基体的物理性能表征 17

2.2.2 电化学性能表征 18

第三章实验过程 20

3.1 硫复合正极的制备 20

3.2 凝胶电解质薄膜的制备 20

3.3 扣式电池的组装 21

第四章PVdF-HFP/PMMA基GPE的性能研究 23

4.1物理性能表征 23

4.1.1 XRD分析 23

4.1.2 气孔率测定 24

4.2 电化学性能表征 24

4.2.1 电池性能测试 25

4.2.2 Li/GPE/S-C电池的电化学窗口 29

4.2.3 界面稳定性 30

第五章 结论与展望 32

5.1结论 32

5.2展望 33

致谢 35

参考文献 36

第一章 绪论

1.1 引言

能源是人类发展的引擎，是人类社会赖以生存和发展的基础。近百年来，人类文明飞速发展，伴随着煤炭、石油等传统化石能源的大量使用，造成了化石能源枯竭，进而引发能源危机。与此同时，过度使用矿物能源，造成了环境污染以及气候变暖等问题，严重威胁着人类的生存与发展。为解决能源危机和环境污染这两大世界性难题，人类急需寻找一种无污染，并且可再生的能源，来替代不可再生的化石能源。

电池是一种将化学能转化为电能的装置，具有携带方便，环境友好的优点。自1799年伏特发明了第一个电池以来，经过200多年的发展，电池的种类不断增加，性能不断优化，应用范围不断拓展。近来，随着便携式电子设备的迅猛发展，锂离子二次电池的成功商业化，电池更是成为人类生活的必需品。

尽管锂离子二次电池相较其它传统二次电池，如铅酸电池、镍镉电池等，具有工作电压高，能量密度大，无记忆效应等优点，但它仍不能满足电动汽车领域，航空航天领域所提出的高比容量，高比能量，长寿命的需求。因此，急需研究高比能、长寿命、低成本的新型锂离子二次电池，以适应和满足目前技术发展的需求。

表1.1从比容量、比能量等方面，比较了不同锂离子二次电池体系的性能。从表中可以看出，硫正极材料拥有最高的理论比容量（1672 m Ah/g）和理论比能量（2600 Wh/kg），远高于其它过渡金属氧化物正极材料。即使硫复合正极材料的载硫量不高时，导电碳的比例占到50wt.%，其理论比容量和理论比能量仍数倍于过渡金属氧化物正极材料。

此外，单质硫还具有资源广、成本低、污染小等优点。因而，以单质硫或硫复合物作正极材料、锂作负极材料的锂硫电池极具发展潜力，备受科研工作者的青睐。

以下分别对锂硫电池及锂硫电池用电解质的研究进展进行综述，并在此基础上，介绍本课题的研究意义和内容。

1.2 锂硫电池概述

锂硫电池体系，以单质硫为正极活性物质，以金属锂为负极。单质硫分子以环状S₈最为稳定，其室温电子电导率仅为5×10^-30S/cm，是典型的电子绝缘体，因而需要与导电材料复合，改善其导电性。根据法拉第定律，可以计算得到其理论比容量为1672mAh/g，若按平均电压2.1V计算，其理论比能量为2600Wh/kg。金属锂的标准电位低（-3.04 V vs. SHE），密度小（0.53 g/cm³），理论比容量高（3861mAh/g），选用它作负极材料组装而成的电池，具有更高的能量密度和工作电压。因此，就目前所有已知的化学可逆体系来看，锂硫组合是能量密度最高的固态电极组合。

1.2.1 锂硫电池的特点

锂硫电池体系，以单质硫为正极活性物质，以金属锂为负极。单质硫在自然界分布广泛，在地壳中含量为0.048%。单质硫分子以环状S₈最为稳定，其室温电子电导率仅为5×10^-30S/cm，是典型的电子绝缘体，因而需要与导电材料复合，改善其导电性。若假设每个硫原子的电子转移数为2，利用Li₂S和S之间的可逆变换，根据法拉第定律，可以计算得到其理论比容量为1672mAh/g，若按平均电压2.1V计算，其理论比能量为2600Wh/kg。金属锂的标准电位低（-3.04 V vs. SHE），密度小（0.53 g/cm³），理论比容量高（3861mAh/g），选用它作负极材料组装而成的电池，具有更高的能量密度和工作电压。得益于金属锂和单质硫各自均有很高的理论比容量和理论能量密度，锂硫组合是所有已知的化学可逆系统中能量密度最高的固态电极组合。

典型锂硫电池的基本模型如图1.1所示

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