高分子材料在锂离子电池中的应用.ppt
,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 XCoO 2 Li XNiO2 LiXMn2 O4,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： PH4 电导率与PH值无关 绝缘性 2PH4 电导率随PH值降低而迅速增加 呈半导体特性 2PH 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,PPy0,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1500-3500W.h.kg-1，实际能量密度 可达830W.h.kg-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。,
