氧化石墨烯在复合聚合物电解质中的应用研究
20世纪70年代以来，聚合物锂离子电池由于其各种优异的性能而受到人们的广泛关注，尤其是对于聚合物电解质的研究，成了近年来新型电源技术的研究热点。聚合物锂离子电池由于采用了聚合物电解质代替了传统的液态有机电解液，使得锂离子电池的电化学性能，安全性能得到了很大程度的提高，并且也减小了电池的生产成本。目前，研究项目中凝胶聚合物电解质中的聚偏氟乙烯（PVDF）类的含氟聚合物由于其优异的力学性能、热学性能、和电化学等性能，成为了聚合物电解质材料的研究重点。本文主要研究的是接枝氧化石墨烯构建PVDF复合凝胶聚合物电解质的制备及性能。在本次实验中，合成一种新型的离子聚合物：聚丙烯酸草酸硼酸酯锂盐（LiPAAOB），将其与制备好的改性氧化石墨烯接枝形成聚合物溶液，最后以PVDF为基制备复合凝胶聚合物电解质膜。然后对聚合物电解质的微观结构、电化学等性能进行测试，通过分析，聚合物电解质膜中，离子聚合物与聚合物基体均匀分散，两者之间未发生相分离。在对聚合物电解质的机械性能和电化学性能进行分析测定时，结果表明，氧化石墨烯在聚合物电解质中的分散性很好，由于它的添加，复合凝胶聚合物电解质膜的机械性能和电化学性能明显提高。关键词：氧化石墨烯；聚偏氟乙烯；复合凝胶聚合物电解质；电化学性能；AbstractKeywords:Graphene oxide; Polyvinylidene fluoride; composite gel polymer electrolyte; electrochemical properties; 目录
第一章 绪论 1
引言 1
1.1 氧化石墨烯 1
1.2 氧化石墨烯的制备方法及改性 1
1.3 聚合物锂离子电池简介 1
1.3.1 聚合物锂离子电池的组成与分类 1
1.3.2 锂离子电池的组成与工作原理 2
1.3.3 聚合物锂离子电池的特点与要求 3
1.4聚合物电解质的制备方法 6
1.4.1热相分离法 6
1.4.2 溶剂萃取法 6
1.4.3 静电纺丝法 6
1.5 凝胶聚合物电解质的研究现状及其发展趋势 6
1.6本课题的研究内容 7
第二章
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
3.2 锂离子电池的组成与工作原理 2
1.3.3 聚合物锂离子电池的特点与要求 3
1.4聚合物电解质的制备方法 6
1.4.1热相分离法 6
1.4.2 溶剂萃取法 6
1.4.3 静电纺丝法 6
1.5 凝胶聚合物电解质的研究现状及其发展趋势 6
1.6本课题的研究内容 7
第二章 实验材料，仪器与测试分析 8
2.1 实验药品与试剂 8
2.2 主要实验仪器 8
2.3 实验步骤 9
2.3.1 氧化石墨烯的制备 9
2.3.2 氧化石墨烯的酰氯化 10
2.3.3 接枝GO的聚丙烯酸草酸硼酸酯锂的制备 10
2.3.4 PVDF基复合聚合物电解质膜的制备 11
2.4测试内容和方法 12
2.4.1红外光谱(FTIR)分析 12
2.4.2表面形貌观察(SEM) 12
2.4.3 X射线衍射分析(XRD) 12
2.4.4 热性能分析 12
2.4.5 机械性能测试 13
2.4.6 孔隙率及液体电解液的吸附率 13
2.4.7聚合物电解质膜的电化学性能表征 14
第三章 测试分析 16
3.1红外图谱(FTIR)分析 16
3.2 表面形貌(SEM)分析 17
3.3 XRD分析 18
3.4 DSC分析 19
3.5 电解质膜的孔隙率及吸附率 19
3.6 TGA分析 20
3.7 机械性能分析 21
3.8电化学性能分析 22
3.8.1 离子导电率 22
3.8.2 电化学稳定窗口 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
第一章 绪论
引言
近年来聚合物电解质在锂离子电池、燃料电池和超级电容器等中的应用得到了广泛的关注。锂锂离子电池因为它占有的体积不大，没有其他电池那么重，性能又稳定，污染也不严重，所以在电池领域中能够广泛使用。而且，锂离子电池的应用领域也在逐渐扩大，如航空航天科技、军事武器、医疗设备等方面。我们平常生活中用的锂离子电池的结构都很简单，主要就是由正负极、隔膜以及液态电解液组成。这种传统的锂离子电池使用的液态电解液在高温或者是长时间使用的时候出现电解液泄露、爆炸的危险，使用寿命也不是很长。而聚合物锂离子电池采用的是聚合物电解质，一般很少出现漏液问题，使用起来更加安全。而且，聚合物锂离子电池设计的时候更加小巧，没有寻常电池那么重，应用起来也更加方便。因此，为了解决电池电解质的安全性、实用性等问题，为了使聚合物电解质真正代替液态有机电解质，人们通过制备性能更加稳定的复合凝胶聚合物电解质来实现。近年来，人们发现在聚合物基体中共混离子聚合物的方法可以使得制备的聚合物电解质的性能变得更加稳定，也更加实用。比如说在聚合物基体中添加氧化硅等无机颗粒，将不同分量的分子筛共混入聚合物基体中制备聚合物电解质，经过实验，这些得到的聚合物电解质具有良好的电化学性能，而且比较稳定，可以进行广泛的使用。
1.1 氧化石墨烯
氧化石墨烯是20世纪末发掘出来的一种新型的碳材料，它的性能优异，具有比较大的比表面积[1]，而且它的表面具有丰富的官能团，有很大的研究前景。除了具有优异的电学性能外，氧化石墨烯的拉伸模量和极限强度也比较大。它的质量轻，价格低廉，导热性又好，所以又是聚合物复合材料的优质填料。氧化石墨烯在近几年来，石墨烯从不被关注的二维材料变成在各个领域都有其用途的新型材料，它的各种优异的性能不断被挖掘出来，是石墨烯在材料领域运用的一大突破。
氧化石墨烯结构图如下：
1.2 氧化石墨烯的制备方法及改性
制备氧化石墨烯的方法很多，原理基本上都是将石墨粉经过强氧化剂或者是强酸进行氧化，破坏石墨的单层片状结构，然后再经过处理得到氧化石墨烯的独特结构。到了现在，制备氧化石墨烯的方法已经越来越多，而且也越来越稳定。比较著名的有Hummers法、Brodie法和Staudenmaier法[2]。本实验采用的方法如下：
实验前擦干反应釜，称取1g石墨粉，5g高锰酸钾粉末，1g硝酸钠置于反应釜，盖紧釜盖放置于冰水浴反应3小时，取出后放入高温烘箱中(100℃)反应3小时。冷却后加入少量过氧化氢和盐酸，待溶液颜色变成亮黄色，搅拌之后放入离心分离机离心，吸出上层清液，再反复加入去离子水清洗。最后得到的黄褐色沉淀就是比较纯的氧化石墨烯。将氧化石墨烯样品在60℃真空烘箱烘干，得到片层较薄的氧化石墨烯。
氧化石墨烯的改性：称取0.5克氧化石墨烯置于圆底烧瓶中，量取50ml氯化亚砜倒入烧瓶，进行超声，然后在气球中吸取氮气保持氮气环境，接着将空气抽出，油浴60摄氏度反应24小时，烘干反应所得物，即GOCl，保存待用。
1.3 聚合物锂离子电池简介
1.3.1 聚合物锂离子电池的组成与分类
聚合物锂离子电池的结构包括正极、电解质和负极三个主要的组成部件[3]。它是一种使用了聚合物材料的电池系统，在这个系统中，组成电池的三个要素至少要包含一个才可以称之为聚合物锂离子电池。而对于聚合物锂离子电池的研究中，使用聚合物电解质是研究的重点，因为电解质是影响锂离子电池的最重要的因素[4]。聚合物锂离子电池在分类上多种多样，如果按照形态来分的话，聚合物锂离子电池可以分为以下几类[5]：
（1） 全固态聚合物电解质锂离子电池：全固态聚合物电解质是指体系中不存在任何的液态电解液，它仅仅是由聚合物基体和锂盐通过热压法或者其他方法制备
第一章 绪论 1
引言 1
1.1 氧化石墨烯 1
1.2 氧化石墨烯的制备方法及改性 1
1.3 聚合物锂离子电池简介 1
1.3.1 聚合物锂离子电池的组成与分类 1
1.3.2 锂离子电池的组成与工作原理 2
1.3.3 聚合物锂离子电池的特点与要求 3
1.4聚合物电解质的制备方法 6
1.4.1热相分离法 6
1.4.2 溶剂萃取法 6
1.4.3 静电纺丝法 6
1.5 凝胶聚合物电解质的研究现状及其发展趋势 6
1.6本课题的研究内容 7
第二章
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
3.2 锂离子电池的组成与工作原理 2
1.3.3 聚合物锂离子电池的特点与要求 3
1.4聚合物电解质的制备方法 6
1.4.1热相分离法 6
1.4.2 溶剂萃取法 6
1.4.3 静电纺丝法 6
1.5 凝胶聚合物电解质的研究现状及其发展趋势 6
1.6本课题的研究内容 7
第二章 实验材料，仪器与测试分析 8
2.1 实验药品与试剂 8
2.2 主要实验仪器 8
2.3 实验步骤 9
2.3.1 氧化石墨烯的制备 9
2.3.2 氧化石墨烯的酰氯化 10
2.3.3 接枝GO的聚丙烯酸草酸硼酸酯锂的制备 10
2.3.4 PVDF基复合聚合物电解质膜的制备 11
2.4测试内容和方法 12
2.4.1红外光谱(FTIR)分析 12
2.4.2表面形貌观察(SEM) 12
2.4.3 X射线衍射分析(XRD) 12
2.4.4 热性能分析 12
2.4.5 机械性能测试 13
2.4.6 孔隙率及液体电解液的吸附率 13
2.4.7聚合物电解质膜的电化学性能表征 14
第三章 测试分析 16
3.1红外图谱(FTIR)分析 16
3.2 表面形貌(SEM)分析 17
3.3 XRD分析 18
3.4 DSC分析 19
3.5 电解质膜的孔隙率及吸附率 19
3.6 TGA分析 20
3.7 机械性能分析 21
3.8电化学性能分析 22
3.8.1 离子导电率 22
3.8.2 电化学稳定窗口 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
第一章 绪论
引言
近年来聚合物电解质在锂离子电池、燃料电池和超级电容器等中的应用得到了广泛的关注。锂锂离子电池因为它占有的体积不大，没有其他电池那么重，性能又稳定，污染也不严重，所以在电池领域中能够广泛使用。而且，锂离子电池的应用领域也在逐渐扩大，如航空航天科技、军事武器、医疗设备等方面。我们平常生活中用的锂离子电池的结构都很简单，主要就是由正负极、隔膜以及液态电解液组成。这种传统的锂离子电池使用的液态电解液在高温或者是长时间使用的时候出现电解液泄露、爆炸的危险，使用寿命也不是很长。而聚合物锂离子电池采用的是聚合物电解质，一般很少出现漏液问题，使用起来更加安全。而且，聚合物锂离子电池设计的时候更加小巧，没有寻常电池那么重，应用起来也更加方便。因此，为了解决电池电解质的安全性、实用性等问题，为了使聚合物电解质真正代替液态有机电解质，人们通过制备性能更加稳定的复合凝胶聚合物电解质来实现。近年来，人们发现在聚合物基体中共混离子聚合物的方法可以使得制备的聚合物电解质的性能变得更加稳定，也更加实用。比如说在聚合物基体中添加氧化硅等无机颗粒，将不同分量的分子筛共混入聚合物基体中制备聚合物电解质，经过实验，这些得到的聚合物电解质具有良好的电化学性能，而且比较稳定，可以进行广泛的使用。
1.1 氧化石墨烯
氧化石墨烯是20世纪末发掘出来的一种新型的碳材料，它的性能优异，具有比较大的比表面积[1]，而且它的表面具有丰富的官能团，有很大的研究前景。除了具有优异的电学性能外，氧化石墨烯的拉伸模量和极限强度也比较大。它的质量轻，价格低廉，导热性又好，所以又是聚合物复合材料的优质填料。氧化石墨烯在近几年来，石墨烯从不被关注的二维材料变成在各个领域都有其用途的新型材料，它的各种优异的性能不断被挖掘出来，是石墨烯在材料领域运用的一大突破。
氧化石墨烯结构图如下：
1.2 氧化石墨烯的制备方法及改性
制备氧化石墨烯的方法很多，原理基本上都是将石墨粉经过强氧化剂或者是强酸进行氧化，破坏石墨的单层片状结构，然后再经过处理得到氧化石墨烯的独特结构。到了现在，制备氧化石墨烯的方法已经越来越多，而且也越来越稳定。比较著名的有Hummers法、Brodie法和Staudenmaier法[2]。本实验采用的方法如下：
实验前擦干反应釜，称取1g石墨粉，5g高锰酸钾粉末，1g硝酸钠置于反应釜，盖紧釜盖放置于冰水浴反应3小时，取出后放入高温烘箱中(100℃)反应3小时。冷却后加入少量过氧化氢和盐酸，待溶液颜色变成亮黄色，搅拌之后放入离心分离机离心，吸出上层清液，再反复加入去离子水清洗。最后得到的黄褐色沉淀就是比较纯的氧化石墨烯。将氧化石墨烯样品在60℃真空烘箱烘干，得到片层较薄的氧化石墨烯。
氧化石墨烯的改性：称取0.5克氧化石墨烯置于圆底烧瓶中，量取50ml氯化亚砜倒入烧瓶，进行超声，然后在气球中吸取氮气保持氮气环境，接着将空气抽出，油浴60摄氏度反应24小时，烘干反应所得物，即GOCl，保存待用。
1.3 聚合物锂离子电池简介
1.3.1 聚合物锂离子电池的组成与分类
聚合物锂离子电池的结构包括正极、电解质和负极三个主要的组成部件[3]。它是一种使用了聚合物材料的电池系统，在这个系统中，组成电池的三个要素至少要包含一个才可以称之为聚合物锂离子电池。而对于聚合物锂离子电池的研究中，使用聚合物电解质是研究的重点，因为电解质是影响锂离子电池的最重要的因素[4]。聚合物锂离子电池在分类上多种多样，如果按照形态来分的话，聚合物锂离子电池可以分为以下几类[5]：
（1） 全固态聚合物电解质锂离子电池：全固态聚合物电解质是指体系中不存在任何的液态电解液，它仅仅是由聚合物基体和锂盐通过热压法或者其他方法制备
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/329.html
