高分子材料在锂离子电池中的应用

,高分子材料的定义：,高分子材料：,macromolecular material,以高分子化合物为基础的材料。,高分子材料是由相对质量较高较高的化合物构成的材料，通常分子量大于,10000,，包括,橡胶,、,塑料,、,纤维,、,涂料,、,胶粘剂,和,功能高分子材料,等。,高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合体。,材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类文明的重要里程碑。,高分子材料,在当今世界乃至未来的世纪都充当着举足重轻的角色，新时代的高分子材料更是与各行各业紧密不可分。,近年来,高分子材料的新型发展方向已经逐渐拓展到,医用、通讯、光电等方面。性能越来越好的高分子材料在生活中，生产上应用的越来越广泛。,高分子材料发展与应用,高分,子材料,导电电极,固体或胶体电解质,电子或空穴传输层,光敏染料,质子交换膜,隔膜,基板和封装材料,太阳能电池,锂离子电池,燃料电池,广泛应用,锂离子电池工作原理,正极反应：,负极反应：,电池总反应：,聚合物锂离子电池的工作原理,与液态锂离子电池基本相同唯一,的区别在于锂离子在固体电解质,中的传导机理。在聚合物锂离子,电池内，主要是借助,聚合物链段,的运动,来实现,离子的传导。,聚合物锂离子电池，形状上可以做到薄,形化、任意面积化和任意形状化，大大,提高了，电池造型灵活性，且电化学性能,等方面也有大幅度提高。,聚合物正极材料,常用正,极材料,Li,X,CoO,2,Li,X,NiO,2,Li,X,Mn,2,O,4,聚合物,正极材料,聚苯胺,(PAn),聚吡咯,(PPY),聚噻吩,(PTh),聚对苯,(PPP),聚硫化物,聚苯胺,单体：,在电池中的重要型式：,聚苯胺正极材料在锂离子电池中作用机理：,P,型掺杂,(,或脱杂,)PAn,电极充放电时通过,阴离子,掺杂脱杂实现,N,型掺杂,(,或脱杂,)PAn,电极充放电时通过,阳离子,掺杂脱杂实现,聚苯胺电导率与,PH,关系：,PH,4,电导率与,PH,值无关 绝缘性,2,PH,4,电导率随,PH,值降低而迅速增加 呈半导体特性,2,PH,电导率与,PH,值无关 金属性,聚苯胺制备方法：,电化学方法、化学法、乳液聚合法,微乳液聚合法、模板聚合法等。,聚吡咯,单体：,氧化还原反应：,共轭链,聚吡咯正极材料在锂离子电池中作用机理：,聚吡咯是中性共轭链聚合物，也需掺杂引入载流子,其主链上正电荷就是载流子。,载流子沿共轭链运动及电荷跃迁产生导电现象。,PPy,的稳定状态是氧化,(P,型,),掺杂。,P,型掺杂的一般反应式是：,PPy,+,氧化态,PPy,0,中性态,当阴离子及支持电解质均为硝酸根、高氯酸根等,较小的球形阴离子，其反应是,可逆,的,。,弱酸性溶液,：,碱性溶液：,PPy,膜对阴离子会发生与亲核性很强的,OH,-,离子交换,其后的电化学还原和再氧化伴随,OH,-,的脱掺杂和再掺杂。但碱性过强会导致,PPy,结构破坏。,水溶液：,PPy,所处的电位超过,0.5V,时就会发生,不可逆,的氧化降,解反应，使其共轭链结构破坏，失去导电性和电化学,活性,聚噻吩,聚噻吩的制备条件较为苛刻，若控制好氧化剂的氧化电势，则噻吩及其衍生物的,PTh,粉状物具有较高电导率。,聚噻吩的一般合成方法：,聚硫化物,聚合物负极材料,这类材料的分子结构中含有双硫键,(-S-S),，基于其,可逆的电解聚,-,电聚合过程,(2S,-,而发生能量交换。,理论能量交换密度,-1,，实际能量密度,可达,-1,。,这种材料很大优点就是可按预定方式控制其有机基团和,分子结构及通过共聚，共混来改变物理、化学和电化学,性能,S-S+2e,-,）,聚硫化物材料充放电机理：,本身不导电，在充放电循环中反复发生,电聚合和电解聚反应,放电,-,电解聚反应,充电,-,电聚合反应,速率控制步骤,速率控制步骤,自由基反应,自由基反应,常见的聚合物,锂离子电池的负极材料,聚硫化物,聚,2,、,5-,二巯基,-1,3,4-,噻二唑,硫链交联网状聚合物,聚硫化碳类聚合物,聚合物电解质,聚合物电解质是指由大分子量的聚合物本体,(,包括共轭,),与盐并添加无机材料所构成的体系，具有离子传导性。,聚合物电解质电解质又称为复合聚合物电解质，或杂化,聚合物电解质，通常状态下为固态。,聚合物电解质薄膜一般通过,溶剂蒸馏,的方法获得。,聚合物电解质提高电导率主要途径是通过,共混,、,形成聚,合物,(,例接枝共聚物、嵌段共聚物,),、,交联,、,加入掺杂盐,、,加入增塑剂,、,加入无机填料,和,提高主链的柔性,等降低,聚合物结晶度。,聚合物电解质种类：,共混聚合物,：使分子链间相互作用，抑制结晶生成。,共聚物,：抑制结晶，提高链段运动的能力。,交联聚合物,：提高聚合物物理机械性能，抑制,PEO,结晶。,接枝聚合物,：将短的低聚醚接到聚合物主链上，提高导电。,梳形聚合物,：大量,PEO,侧链,，,可抑制结晶增加无定形区含量。,超支化或星聚合物,：三维球结构，含大量支化单元和末端单元。,盐掺聚合物,：有较高室温电导率和粘弹性。,单离子导电的聚合物,：只有一种离子能迅速传导的离子导体。,无机粉末复合型聚合物,：增强分子材料机械性能。,聚合物导电机理,首先锂离子与链段上,某些官能团形成缔合体,借助高分子链段蠕动,部分离子跨越能垒,使活性位移动或替换,锂离子在电场下定向移动,k,聚合物锂离子电池的优点：,聚合物膜厚度可以很薄，电池质量相对较轻；,消除了液态电解质锂离子电池中电极和电解质,组分间的电化学反应，提高了电池效率；,高低温性能好，提高了电池的安全性；,消除了锂液态电解质电池中液体渗漏问题，提高了,电池的寿命；,便于生产各种外观形状的锂电池；,利于工业化生产。,