聚芘类导电粘结剂的制备及其在锂离子电池硅负极中的应用研究

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中文摘要：具有高理论比容量的硅(Si)负极材料有实现高能量密度的锂离子电池的潜力。但是Si在充放电过程的巨大体积变化，会破坏相互作用较弱的Si和导电剂之间的接触，进而降低Si负极的循环和倍率性能。近年来，研究者采用导电粘结剂来代替传统的粘结剂和导电剂，这既能提高负极结构和导电网络的稳定性，又能提高负极中Si的含量以提高电池的能量密度。在导电粘结剂中，聚芘类导电粘结剂由于制备和改性容易，有大规模生产的潜力。但是，刚性大的聚甲基丙烯酸芘甲酯(PPy)的导电网络在充放电过程中易因应力集中而被破坏。因此本文从提高柔顺性和赋予自修复能力两个角度来改善PPy的性能。本文的主要内容如下： 1、从提高PPy的柔顺性角度，制备了一种聚丁二烯(PB)改性的聚芘类多嵌段导电粘结剂(PPy-b-PB)，这是目前为止Si负极粘结剂研究领域中首个具有多嵌段结构的导电粘结剂。与PPy相比，柔顺性、可逆变形能力和分子量更高的多嵌段结构的PPy-b-PB有利于减小负极阻抗，提高负极的力学稳定性、锂离子扩散速率和导电网络的重建能力，进而提高负极的循环和倍率性能。Si与导电粘结剂质量比为2∶1，Si负载为0.24mg·cm-2的PPy-b-PB/Si负极，在1C的充放电倍率下的平均脱锂比容量为570mAh·g-1，是PPy/Si负极的4.07倍。PPy-b-PB/Si负极在0.2C的倍率下，首圈库伦效率为77.9%，充放电循环200圈后，脱锂比容量高达2270mAh·g-1，比PPy/Si负极高29.7%。当Si负载提高到0.60mg·cm-2时，PPy-b-PB/Si负极在充放电循环200圈后脱锂比容量为2050mAh·g-1，比多数n型导电粘结剂制备得到的Si负极好。 2、从赋予PPy自修复能力的角度，制备了脲基嘧啶酮(UPy)改性的聚芘类自修复型导电粘结剂(PPU)，这是目前为止Si负极粘结剂研究领域中首个具有自修复能力的导电粘结剂。与PPy相比，极性更强且具有自修复能力的PPU，不仅能减缓负极阻抗的增加，提高负极的力学稳定性和锂离子扩散速率，还能显著增强导电网络的重建能力和修复负极产生的裂缝，进而提高负极的循环和倍率性能。Si和PPU的质量比为2∶1、Si负载为0.24mg·cm-2的PPU/Si负极，在1C的充放电倍率下的平均脱锂比容量为820mAh·g-1，是PPy/Si负极的5.86倍。PPU/Si负极在0.2C的倍率下，首圈库伦效率为78.2%，充放电循环200圈后，脱锂比容量高达2570mAh·g-1，比PPy/Si负极高46.9%。当Si负载提高到0.60mg·cm-2时，PPU/Si负极在充放电循环200圈后脱锂比容量为2100mAh·g-1，比多数n型导电粘结剂制备得到的Si负极好。此外，当硅和导电粘结剂的质量比、硅负载和充放电倍率分别增加到4∶1，1.24mg·cm-2和0.5C时，PPU/Si负极从第21圈开始的循环稳定性良好。从第21至第200圈的过程中PPU/Si负极平均每圈脱锂比容量损失为0.12%。

作者：

叶庆勤

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关键词：

锂离子电池硅负极材料导电粘结剂自修复能力电化学性能

授予学位：

硕士

学科专业：

材料学

导师：

王朝阳

学位年度：

2019

学位授予单位：

华南理工大学

语种：

中文

中图分类号：