一种双锂盐梳状聚合物电解质的制备及电化学性能

doi:10.7503/cjcu20210309

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (9): 2861.doi: 10.7503/cjcu20210309

一种双锂盐梳状聚合物电解质的制备及电化学性能

杨英杰, 张晓蓉, 孙玉雪, 刘军(), 谢海明()

东北师范大学化学学院, 动力电池国家地方联合工程实验室, 长春 130024

收稿日期:2021-05-04 出版日期:2021-09-10 发布日期:2021-09-08
通讯作者: 刘军,谢海明 E-mail:liuj975@nenu.edu.cn;xiehm136@nenu.edu.cn
基金资助:
中央高校基本科研业务费(2412019FZ015);吉林省教育厅自然科学基金(JJKH20201168KJ)

Synthesis of a Dual-lithium-salt Comb Polymer Electrolyte and Its Electrochemical Performance

YANG Yingjie, ZHANG Xiaorong, SUN Yuxue, LIU Jun(), XIE Haiming()

National & Local United Engineering Laboratory for Power Battery，Department of Chemistry，Northeast Normal University，Changchun 130024，China

Received:2021-05-04 Online:2021-09-10 Published:2021-09-08
Contact: LIU Jun,XIE Haiming E-mail:liuj975@nenu.edu.cn;xiehm136@nenu.edu.cn
Supported by:
the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(2412019FZ015);the Natural Science Foundation of the Jilin Province Education Department, China(JJKH20201168KJ)

摘要/Abstract

摘要：

将聚乙二醇单甲醚(MPEG)接枝在聚(异丁烯-alt-马来酸酐)(PIAMA)上合成梳状锂单离子导体PIAMA-g-MPEG, 并与双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)复合制成双锂盐梳状聚合物电解质薄膜. 用核磁共振波谱 (¹H NMR)、热重分析(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、电化学阻抗(EIS)和电池充放电测试等方法对聚合物基体和电解质的物化性质和电化学性能进行了研究.结果表明, 设计的双锂盐梳状聚合物电解质能够有效解离并传输锂离子, 70 ℃下离子迁移数(t_Li⁺)为0.32, 离子电导率(σ)为1.5×10^-4 S/cm, 电化学稳定窗口为0~4.9 V (vs. Li/Li⁺). 组装Li|PIAMA-g-MPEG|Li电池并进行70 ℃恒电流充放电电压极化测试, 结果表明, 电解质与金属锂负极兼容性较好, 能够有效抑制锂枝晶的生长.组装LiFePO₄|PIAMA-g-MPEG|Li电池进行70 ℃长循环及倍率性能测试, 电解质表现出了优异的高温性能.

关键词: 固态聚合物电解质, 梳状聚合物, 聚(异丁烯-alt-马来酸酐), 双锂盐

Abstract:

Polyethylene glycol monomethyl ether（MPEG） was grafted on poly（isobutylene-alt-maleic anhydride）（PIAMA） to synthesize comb-like lithium mono-ion conductor PIAMA-g-MPEG， which was mixed with lithium bis （trifluoromethylsulfonyl）imide（LiTFSI） to form double-lithium-salt comb polymer electrolyte membrane. Nuclear magnetic resonance（¹H NMR） spectroscopy， thermogravimetric analysis（TG）， scanning electron microscopy（SEM）， electrochemical impedance（EIS） and battery charge-discharge test were used to study the physical， chemical and electrochemical properties of polymer matrix and electrolyte. The results show that the designed double lithium salt comb polymer electrolyte can effectively dissociate and transport lithium ions， the ion mobility t_Li⁺is 0.32 at 70 ℃， the ion conductivity （σ） is 1.5×10^-4 S/cm， the electrochemical stability window is 0—4.9 V（vs. Li/Li⁺）. The assembled Li|PIAMA-g-MPEG|Li battery and the constant current charge-discharge voltage polarization test at 70 ℃ show that the electrolyte has good compatibility with the metal lithium negative electrode and can effectively inhibit the growth of lithium dendrites. The assembled LiFePO₄|PIAMA-g-MPEG|Li battery was subjected to 70 ℃ long cycle and rate performance test， and the electrolyte showed excellent high temperature performance.

Key words: Solid polymer electrolyte, Comb polymer, Poly（isobutylene-alt-maleic anhydride）, Double lithium salt

中图分类号:

O646

TrendMD:

杨英杰, 张晓蓉, 孙玉雪, 刘军, 谢海明. 一种双锂盐梳状聚合物电解质的制备及电化学性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2861.

YANG Yingjie, ZHANG Xiaorong, SUN Yuxue, LIU Jun, XIE Haiming. Synthesis of a Dual-lithium-salt Comb Polymer Electrolyte and Its Electrochemical Performance. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2861.

图/表 10

Scheme 1 Synthesis of comb polymer PIAMA?g?MPEG

Fig.1 1H NMR spectra and molecular structural formulas(inset) of PIAMA(A), MPEG(B), and PIAMA?g?MPEG(C)

Fig.2 TGA curves of PIAMA, MPEG and PIAMA?g?MPEG(A) and DSC curve of PIAMA?g?MPEG(B)

Fig.3 Voltage profiles of Li|PIAMA?g?MPEG|Li and Li|PEO|Li at different current densities

Fig.4 LSV curve of SS|PIAMA?g?MPEG|Li at 70 ℃

Fig.5 Impedance spectrum at 70 ℃ and the fitting circuit diagram(inset) of LFP|PIAMA?g?MPEG|Li(A) and the change curve of ionic conductivity of electrolyte PIAMA?g?MPEG with temperature(B)

Fig.6 PIAMA?g?MPEG electrolyte versus time curveThe inset is impedance spectra EIS before and after testing.

Fig.7 Charge and discharge curve(A) and cycle performance curve(B) of LFP|PIAMA?MPEG|Li cell at 70 ℃

Fig.8 Charge and discharge curve(A) and long cycle performance curve(B) of LFP|PIAMA?g?MPEG|Li cell at 70 ℃ and 1C

Fig.9 SEM images of electrolyte membrane of before(A, B) and after(C,D) cycling for 600 h, the interface between the electrolyte membrane and lithium metal after cycling 600 h(E)

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Synthesis of a Dual-lithium-salt Comb Polymer Electrolyte and Its Electrochemical Performance

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