摘要
固态电解质具有不易泄露、电化学窗口宽和热稳定性好等优点，将其运用到锂金属电池中可机械抑制锂枝晶的生长，从根本上解决传统有机电解液所引起的锂金属电池安全问题。相比于无机固态电解质，有机聚合物电解质具有成本低、制备方法简单、安全性较高等优点，同时能够兼容电极循环过程中的形变。然而，高结晶度所引起的锂离子迁移受阻限制了有机聚合物电解质的开发。通过在聚合物基底中添加增塑剂有望提升离子电导率，离子液体具有低蒸汽压、不燃、不易挥发和离子导电率高等优点，当其作为增塑剂时能够有效提升聚合物电解质的离子电导率和电化学稳定性，值得注意的是，大量使用离子液体作为增塑剂，是以牺牲聚合物电解质的机械性能为代价。针对以上问题，本论文将离子液体接枝到聚合物骨架上，所得到的聚离子液体既具备高离子导电性又具有优异的循环稳定性具体研究工作如下： (1)本文将具有高离子导电性的 EMIM+接枝到 MMA 单体上，通过自由基聚合法(ATRP)制备了聚(1-乙基-3-丙烯酸乙酯)咪唑溴盐。通过控制反应时间，完成对聚合物分子量的调控。实验结果表明，当反应时长为 18 h 时所制备的聚离子液体基固态电解质(PIL-18)表现出优异的电化学性能，室温离子电导率可达 0.43 mS·cm-1。该电解质具有较宽的电化学稳定窗口，为5.12 V，使用聚离子液体基固态电解质的锂金属电池具有优异的循环稳定性，在电流密度为0.05 mA·cm-2时，Li|PIL-18|Li 对称电池可稳定循环 1800 h，极化电压为 90 mV，在电流密度为 0.5 C 的条件下，Li|PIL-18|LiFePO4全固态电池稳定循环 250 圈后仍具有 110.8 mAh·g-1的高比容量，此时容量衰减仅为 8.2 %。 (2)针对单一的聚离子液体凝胶强度有限、自支撑性能差，在实际运用中封装难和形状受限等问题，本课题对PAN、PVDF、PVDF-HFP、PEGDA和PVC等常用的聚合物基底进行筛选，将低结晶度且具有高电化学窗口的PVDF-HFP与上一章所制备的PIL共混，通过调控基底含量完成电解质组成的优化。相比于纯的聚离子液体固态电解质，该复合固态电解质在室温下的离子电导率(7.15×10-4 S·cm-1)和锂离子迁移数(tLi+=0.77)都有了明显的提升。使用复合固态电解质的锂金属电池具有优异的循环稳定性，在电流密度为 0.05 mA cm-2 时，Li|PVDF-HFP@PIL 3∶1|Li 对称电池可稳定循环 1500 h，极化电压仅为 50 mV。当电流密度为 0.5 C 时， Li|PVDF-HFP@PIL 3∶1|LiFePO4稳定循环 300 圈后仍具有 128.8 mAh·g-1的高比容量，容量损失率仅为4.1%。
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