外文翻译掺入硅酸镁铝的以聚环氧乙烷为基电解质的全固态锂电池教案.docx

外文翻译掺入硅酸镁铝的以聚环氧乙烷为基电解质的全固态锂电池教案.docx

《外文翻译掺入硅酸镁铝的以聚环氧乙烷为基电解质的全固态锂电池教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《外文翻译掺入硅酸镁铝的以聚环氧乙烷为基电解质的全固态锂电池教案.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

外文翻译掺入硅酸镁铝的以聚环氧乙烷为基电解质的全固态锂电池教案

南京工业大学

《化学工程与工艺》专业

本科毕业论文（设计）

外文资料翻译

原文名称MgAl2SiO6-incorporatedpoly（ethyleneoxide）-basedelectrolytesforall-solid-statelithiumbatteries

原文作者N.Angulakshmi&DongJinYoo&KeeSukNahm&C.Gerbaldi&A.ManuelStephan.

原文出版物Springer-VerlagBerlinHeidelberg2013

翻译内容页码151~156

中文名称掺入硅酸镁铝的以聚（环氧乙烷）为基电解质的全固态锂电池

学生姓名朱志佳专业化学工程与工艺班级学号1002100132

指导教师（签字）对译文的评价

化学化工学院

2013年4月

掺入硅酸镁铝的以聚（环氧乙烷）为基电解质的全固态锂电池

1.摘要

聚（环氧乙烷）（PEO）基复合聚合物电解质（CPEs），包括不同浓度的六氟磷酸锂和硅酸镁铝，通过热压技术制备。

膜用扫描电子显微镜，拉伸和热分析。

已经证明，该结合在聚合物基体中的陶瓷填料具有显著提高离子导电性，热稳定性和膜的机械完整性。

它还改善了界面特性与锂电极。

最后，一个由Li/CPE/LiFePO4组成的全固态锂电池能够被组装，并且其循环性能能够在70℃时被分析。

这个电池以1℃速率传递115毫安时G-1的放电容量，并发现比以前的报告为高。

关键词

复合聚合物电解质，热稳定性，离子导电性，界面的稳定性，充放电行为

2.引言

可再充电锂电池在用于便携式电子设备和插电式混合动力汽车的方面被认为具有潜力，并且也被认为可以作为备份的存储元件太阳能电池。

最先进的锂离子电池具有含碳阳极和锂-过渡金属氧化物阴极（例如钴酸锂，锰酸锂，磷酸铁锂等），它被浸渍在聚烯烃膜中的非水液体电解质分离。

另一方面，带有固体高分子电解质的锂离子电池在其对应的液体有几个优势其中包括高能量密度，无泄漏的电解液，灵活的几何形状和更好的安全性[1-3]。

聚（环氧乙烷）已被作为用于电池应用的主体进行最广泛地研究[4]。

聚（环氧乙烷）（PEO）链将螺旋构象用于所有的反式C-O键和在任何笨拙或笨拙减去配置的C-C键。

在这种几何形状下，阳离子可位于的每个螺旋的转弯处并且由3个醚氧原子配位[5]。

然而，主体的基本结构被保留为各种规模的阴离子[4，6，7]。

通常，这种固体聚合物电解质提供非常低的离子电导率在室温下（10−8Scm−1）[3]。

虽然，凝胶聚合物电解质在室温和低于室温的温度下提供高的离子电导率，但是它们具有低的机械完整性和界面不佳性能与锂金属阳极，并最终导致恶劣的安全方面问题[8,9]。

在一个开创性的研究，韦斯顿和斯蒂尔[10]已成功地提出了一种新的方法通过在聚合物基质中结合陶瓷填料来提高离子导电性和机械强度。

无机材料如陶瓷和纳米氧化物[11，12]，层状粘土[13]，有机-无机杂化材料[14]和微孔分子筛[15]的掺入也被探讨，以增加离子导电率。

在一种不同的方法，王先生等人[16]提出了一种新的锂快离子导体，即将Li3−2x（Al1−xTix）2（PO4）3（其中X=0.55-1.0）加入到PEO基质。

最近，Lishi和他的同事[17]报道的电化学性能Li0.1Ca0.9TiO3添加的PEO-LiClO4聚合物电解质。

Kumar等人。

[18-20]和Scrosati等。

[21]独立的开发使用氧化镁，氧化铝纳米复合聚合物电解质和SiO2，并证明出非常有趣的性能。

为了将填充物所有的优势利用起来，他们尝试研究已注册的复合聚合物电解质（CPEs）的硅酸镁铝（MgAl2SiO6）的电化学性能。

凭借其吸引人的性能，例如高熔点，耐化学品，在高温温度下的高强度和低的电损耗，尖晶石MgAl2SiO6有吸引了众多研究者[22，23]的兴趣。

对于实际的锂聚合物电池发展的一个重要方面是合适的阴极材料的选择。

PEO基固态聚合物电解质的电化学稳定窗口不超过（以Li/Li+电对的平衡电位作为参比电位的）4V，从而钴酸锂和锰酸锂在PEO基固体电解质电池中不能被用作阴极材料，因为它们的工作电位甚至更高于（以Li/Li+电对的平衡电位作为参比电位的）4V[24]。

最近，锂铁磷酸盐（磷酸铁）已被确定为所选择的用于SPE型电池的正极，特别是当PEO被用作聚合物主体[25]。

磷酸铁似乎是一个非常有前途的可替代的阴极材料，因为它有能够在一个比较平的电压平台操作（大约3.5V相对于Li/Li+）的能力，较高的理论比容量（约170mAhg−1），提高的热稳定性，低成本和良性的环境特征[26]。

最近骑自行车的研究也表明，磷酸铁锂是完全新型的固体锂聚合物电池[27，28]的终极选择。

在这个方向上，一个已尝试开发PEO基复合聚合物电解质和理解使用这种膜在全固态锂二次电池的可行性。

3.实验部分

3.1复合高分子电解质的制备

硅酸镁铝（FisherScientific，USA），聚环氧乙烷（Aldrich，USA）和六氟磷酸锂（的LiPF6）（Aldrich）用作接收。

为了去除水分含量，如果有的话，在使用前48小时将样品在真空，50℃下干燥。

填料硅酸镁铝还被在使用前5天在真空，70℃下干燥。

复合高分子电解质是由如表1中所描绘的PEO-LiPF6混合分散MgAl2SiO6适量制备。

所得到的前驱体进行热压成片，如在别处所述[28-30]。

复合聚合物电解质膜具有50-70微米的平均厚度。

此过程产生了均匀的和机械坚固的膜，其在真空，50℃下干燥24小时，用于进一步表征。

3.2电化学表征

被夹持在两个不锈钢阻塞电极（直径为1厘米）的膜的离子电导率在50兆赫至100千赫的频率范围内在各种温度下（如0，15，30，45和60摄氏度）通过使用电化学阻抗分析仪被测定。

Li/CPE/Li这种类型的对称非阻塞元件被组合起来用来做界面稳定性研究，以证明与锂金属的相容性，并且通过研究在50℃开路条件下的系统的阻抗的时间依赖性进行了研究。

膜的形态在真空条件（10-1Pa）下在膜的一侧上溅射一层薄薄的金（约10nm的厚度）后通过扫描电子显微镜（SEM，Vega3，TESCAN）被检测，以使电子束照射的影响最小化，该电子束照射可能导致充电和“燃烧”的聚合物网络。

CPEs的机械强度通过使用拉伸机（TiniusOlsen）以10毫米每分钟的恒定十字头速度进行测定。

试样尺寸为20毫米×50毫米×0.1毫米（长×宽×厚）。

TGA（TAInstruments,USA）测定是在20到400摄氏度的温度范围内以每分钟10摄氏度在氮环境下进行的。

磷酸铁锂阴极材料被通过如前所述的一种快速，廉价的表面活性剂辅助的温和水热法合成。

锂离子电池作为阴极的电化学性能的评价已开展在环境温度（目前的制度从C/20至2C）下用阿滨仪器测试系统型号BT-2000恒流充/放电循环，设置截止潜力2.50-4.00相对于Li/Li+的。

复合阴极的制备​​通过将磷酸铁锂的活性物质与乙炔黑碳（Shawinigan的黑色AB50，雪佛龙公司，美国）电子导体和聚（偏二氟乙烯）的粘合剂（Solvay公司的Solef6020）分别地以82:

10:

8的质量百分比的比率混合，并在全固态电池对锂金属阳极（采用配置：

Li/CPE/LiFePO4）进行测试。

所有制剂在充满氩气的手套箱中（布劳恩，德国）并且低于10ppm湿度含量中进行。

3.3结果与讨论

3.3.1热学（TG-DTA）

图1显示了样品S1（组合物95:

5w/w的在PEO：

的LiPF6）和S5（组合物80:

12:

8w/w的在PEO：

MgAl2SiO6：

的LiPF6）的热重（TG）分析。

两个样品在约65℃下有3％左右的重量损失被观察到，并该损失归因于在加载样本的时间里吸附的水分的除去。

对于样品S1，约200℃时一个不可逆转的降解开始出现。

原因是PEO模具的分解。

另一方面，对于样品S5，降解开始在330℃左右。

显然，这种观察证实了样品S5在氮气氛下是比样品S1中更稳定的事实。

添加了MgAl2SiO6的复合电解质的热稳定性的提高可以归因于插层惰性粒子，这就造成了一个强有力的屏障作用防止它们的热降解到一定程度的聚合物基质和剥落。

3.3.2拉伸研究

CPEs的应力-应变性能进行了测量，并示于图2。

应力-应变特性给出了关于负载与聚合物复合材料的变形特性的基本信息。

在未填充体系（样品S1，0wt.％MgAl2SiO6）的情况下，该示例显示了两个不同的区域：

初始线性区域反映了弹性特性，然后在非线性区域显示了塑性变形。

正如预期的，整齐的样品（样品S1）具有断裂时的伸长率（22.5％）和1.92兆帕[32]的拉伸强度。

当加入MgAl2SiO6，我们可以看到，抗拉强度降低到1.75兆帕同时断裂应变增加（40％）。

填料MgAl2SiO6的进入明著促进提高膜的应变值。

应变值的增加归因于在PEO模具中惰性填料[28]的插层/剥离。

3.3.3扫描电镜分析

扫描电子显微镜被广泛用来分析该聚合物电解质膜的表面形态。

通常，高分子电解质的表面形貌起着在相应的离子导电性重要作用并且拥有光滑表面的膜提供更好的离子导电性[33]。

复合聚合物膜的形貌通过扫描电镜进行了检查，并显示在图3的样品S1和S5产生的显微照片。

电解质表面的形态可以由两个离子盐和填料的掺入[28，30]被修改/量身定做。

为PEO+的LiPF6（样品S1）复合物的膜获得一种非常粗糙和不均匀的表面形貌，如图3a所示。

另一方面，在填充物中掺入膜（图3b中的样品S5），MgAl2SiO6颗粒均匀的分布在聚合物膜的表面上，没有任何结块而几乎光滑的表面被观察到。

可以得出结论，在PEO基体中MgAl2SiO6填料的加入大大改善了膜的表面形态。

3.3.4离子电导率

作为LiPF6和MgAl2SiO6的浓度的函数，不同的CPEs的温度依赖关系示于图4。

很明显能从图4看出，该复合高分子电解质的离子电导率随温度的升高与锂盐的含量的升高而升高。

有趣的是，在0℃温度下，当加入在聚合物基质中的陶瓷填料达到某一个数量级时CPEs的离子导电性显著增加。

这些结果是按照那些之前的报道，其中氧化铝作为填料的PEO基电解质[34〜36]。

如通常在复合材料观察到的，导电性被发现与填料浓度不成线性关系。

在低浓度时，会压低的离子导电性的稀释效应可以有效地通过在陶瓷表面的特异性相互作用，从而促进更快的离子迁移对比。

因此，对于样品S5能够达到最大电导率。

根据Wieczorek等人[36]，填料表面与PEO段之间的路易斯碱的反应可诱导在聚合物基体结构上的修改。

所添加的陶瓷的路易斯酸性质会与锂阳离子的路易斯酸性质争夺与PEO链的复合物的形成。

在本案中，填料MgAl2SiO6降低了链重组的趋势，从而导致在聚合物主体的结晶度降低。

类似的观察已由JoseBenedict等人报道，其中作者将离子导电率的结果与X射线衍射数据相关联用于PEO基电解质。

3.3.5兼容性与锂金属

一些报告在聚合物电解质[38，39]的离子导电性和物理性能能够适用。

然而，只有少数报告可用于与固体聚合物电解质接触的锂和锂-碳电极的界面性质方面。

固体聚合物电解质和锂之间的接口在锂聚合物电池的电化学行为中起着至关重要的作用以确定他们的表现[38]。

图5显示了在50℃下（黑线对样品S1和红线样品S5）由Li/CPE/Li组成的的对称电池的界面电阻随时间的变化函数。

界面电阻值以一个不规则的方式增加和减少。

然而，添加MgAl2SiO6的样本的界面电阻的值比不含填料的样品的低得多。