聚乙烯亚胺功能改性材料及其在锂离子电池中的应用研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiuluoyanyu1986
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粘结剂是锂离子电池电极中的非活性材料,其作用是将活性材料、导电剂、集流体粘结在一起,在电池充放电过程中保持极片结构的稳定。尽管粘结剂是电极中的非活性材料,但它的物理化学性质对电池的性能有着重大的影响,新型粘结剂的研究开发对锂离子电池研究及产业具有非常重要的意义。  目前油系粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)由于稳定的电化学性能和较强的粘结性,已经广泛应用于商业锂离子电池正负极中。PVDF需要以易挥发、高毒性的N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,污染环境,并易在有机电解液中溶胀,粘结力降低,从而降低电池的使用寿命。PVDF还易与嵌锂石墨(LixC6)和金属锂发生放热反应,对电池造成安全隐患。此外,使用PVDF作为粘结剂,在生产极片的过程中需要严格控制水分,大大提高了生产的工艺成本。近年来,水系粘结剂因其具有无污染、来源广、价格低、易干燥等等优点而备受关注。  本论文基于聚乙烯亚胺,对其进行胺基迈克尔加成反应改性以及交联改性,提高剥离强度,同时功能基团的引入赋予粘结剂更多的功能,对电极的形貌,电化学性能的改善具有重要的作用。获得的主要结论如下:  (1)通过PEI与AN的迈克尔加成反应成功制得CN-PEI。通过控制氰乙基化的改性程度,CN-PEI可以在水中形成溶液,微乳液,最终成为浑浊的乳液。发现氰乙基化能够提高其对A1箔的剥离强度,其中CN-PEI-7微乳液具有最强的剥离强度,选择其作为LFP正极的水系粘结剂。CN-PEI-7粘结剂不仅仅具有未改性前PEI在水中优越的分散能力,同时由于氰基的引入,使其剥离强度和锂离子电导率都得到提升。因此CN-PEI-7粘结剂能够有效的保持电极形貌和结构的稳定,减少电极工作过程中极化的发生。LFP@CN-PEI-7表现出良好的循环稳定性和倍率性能。  (2)通过PEI与AA的迈克尔加成反应成功制得N-CEPEI。N-CEPEI由于更强极性的羧乙基的引进,使得其剥离强度得到提升。同时在制作成的电极高温干燥过程中,由于分子链中羧乙基与的胺基会发生脱水缩合,使其发生交联反应,形成网状结构。这种原位交联,进一步提升了粘结剂的剥离强度。同时N-CEPEI粘结剂由于羧乙基的水解,高分子链带有负电荷,对电极浆料具有良好的分散能力。N-CEPEI粘结剂能够有效的保持电极形貌和结构的稳定,减少电极工作过程中极化的发生。LFP@N-CEPEI表现出优异的循环稳定性和倍率性能,尤其是高倍率放电时,展现出极好的放电容量和稳定性。  (3)通过PEI通过己二酸交联制得的PEI-Aa,不仅仅提高了剥离强度,同时PEI-Aa具有良好的柔韧性,能够在脱嵌锂的过程中,保持极片的结构稳定性。PEI-Aa用于LFP正极中,能够有效的提高LFP正极的循环稳定性,同时在高倍率放电的时候,显示出更好的放电容量,根据CV以及EIS分析,可知LFP@PEI-Aa表现出更好的电极反应动力学。
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