共聚型氯醇橡胶锂离子聚合物电解质的制备和性能

以共聚型氯醇橡胶(ECO)为基体, 通过在基体中溶解不同浓度的LiCF₃SO₃制备了一系列聚合物电解质. 利用差示扫描量热技术(DSC)研究了该体系锂盐浓度对聚合物电解质玻璃化转变温度的影响, 用傅里叶变换红外光谱(FTIR)研究了体系内锂盐与聚合物基体的相互作用. 结果表明, 在相同锂盐浓度下, ECO基聚合物电解质的室温离子电导率比传统的聚环氧乙烷(PEO)基聚合物电解质提高了2个数量级, 并且体系电导率在升降温循环测试中没有弛豫现象产生. 这是由于ECO基体的非结晶性所致.     

单分散SiO2纳米颗粒复合凝胶电解质的应用

以单分散程度较高的SiO₂纳米颗粒(约130 nm)作为填料,聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF?HFP)作为聚合物基质,采用简便的物理共混法制备出了一种单分散SiO₂纳米颗粒复合凝胶聚合物电解质(MCGPEs)并将其应用于锂电池中。扫描电镜结果表明,SiO₂纳米颗粒在聚合物基体中分散均匀。与传统凝胶聚合物电解质(GPEs)和商业SiO₂颗粒复合凝胶电解质(CGPEs)相比,MCGPEs有着更高的电解液吸液能力和离子电导率,并且具备更强的锂离子迁移能力。此外,使用MCGPEs作为电解质的锂电池,在1.0C下历经300次循环后仍然保持了121.1 mAh·g^-1的较高比容量,表现出了优异的循环性能。同时,其倍率性能也十分优异,在10C倍率下获得了135 mAh·g^-1的比容量,远高于GPEs锂电池(76.2 mAh·g^-1)。     

基于原位聚合凝胶电解质的碳纳米笼//三氧化钨纳米棒超级电容器

发展非对称超级电容器可有效提升超级电容器能量密度, 选择电极材料和电解质是关键. 分级结构碳纳米笼因具有比表面积大、微孔-介孔-大孔共存、导电性好、稳定性高等优点, 特别适合用作超级电容器电极材料. 进一步通过N, S共掺杂引入赝电容、改善浸润性, 所得的氮硫共掺杂碳纳米笼(NSCNC)在1 mol?L^-1 H₂SO₄溶液、电势范围0~1 V、电流密度1 A?g^-1下表现出337 F?g^-1的高比容量. 水合三氧化钨(WO₃?0.6H₂O)纳米棒通过W⁶⁺/W⁵⁺的氧化还原反应实现H⁺的嵌入与脱出, 在–0.55~0.3 V、5 A?g^-1下表现出454 F?g^-1的高比容量. 以NSCNC和WO₃?0.6H₂O作正负极材料、原位聚合高分子凝胶电解质(IPGE/H₂SO₄)作准固态电解质组装的非对称超级电容器的工作电压为1.5 V, 其倍率性能非常接近于在H型电解池中以1 mol?L^-1 H₂SO₄为电解液的器件, 而远优于以传统聚乙烯醇/硫酸(PVA/H₂SO₄)作凝胶电解质的器件, 其根源是原位聚合的IPGE/H₂SO₄与电极材料之间建立了有效的电荷传输界面, 改善了H⁺离子的传导, 有效降低了电压降. 本工作不仅展示了酸性介质中NSCNC//WO₃?0.6H₂O超级电容器的优异储能性能, 还提供了一种新的用于构建准固态超级电容器的原位聚合凝胶电解质.     

一种双锂盐梳状聚合物电解质的制备及电化学性能

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.     

溶胶-凝胶法制备聚醚砜-二氧化硅复合材料

以聚醚砜(PES)为基体,通过溶胶-凝胶过程,得到了分散均匀的PES/SiO₂杂化材料,用扫描电镜、透射电镜、傅里叶红外及差示扫描量热法研究不同SiO₂含量的PES/SiO₂杂化材料材料性能.结果表明,当PES/SiO₂杂化材料中SiO₂的质量分数大于10%时可获得有机聚合物链段与无机网络互穿的均匀分散的复合材料.此材料的玻璃化转变温度(Tg)明显提高.     

“Water-in-salt”聚合物电解质制备及其电化学性能研究

为提高柔性锂离子电池安全性和循环稳定性能,本实验以自由基聚合结合冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜为电解质载体,引入21 mol·kg^-1 LiTFSI 高浓度电解液,得到“water-in-salt”聚合物电解质。通过聚合物膜的形貌和孔道结构表征,红外光谱分析,离子电导率及电化学稳定窗口测试等对其基本物化特性进行了研究。冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜内部具有大量微孔结构,有利于电解液的载入。将该吸附了电解液的聚合物电解质膜与锰酸锂(LiMn₂O₄)正极和磷酸钛锂(LiTi₂(PO₄)₃)负极组装全电池进行充放电性能测试。结果表明,制得的柔性聚合物电解质具有良好的拉伸性能,高离子电导率(20°C,4.34 mS·cm^-1)和宽电化学稳定窗口(3.12 V)。以“water-in-salt”聚合物电解质为隔膜组装的LiMn₂O₄||LiTi₂(PO₄)₃ 全电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性。     

聚丙烯酸控制合成的聚合物/二氧化硅复合纳米球

以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APMS)和正硅酸乙酯(TEOS)为硅源, 与阴离子聚合物聚丙烯酸(PAA)链之间通过S^-N⁺-I^-机理组装合成了聚丙烯酸-二氧化硅(PAA/SiO₂)复合纳米球. SEM, TEM, TG和FTIR表征结果表明, 合成的纳米球是聚丙烯酸和二氧化硅复合物, 平均直径约为80 nm. 在合成PAA/SiO₂复合纳米球的体系中, 加入不同量的有机溶剂THF能够调控复合球的尺度.     

聚乙烯醇接枝微粒对黄酮类物质的吸附特性

以硅胶表面接枝有聚乙烯醇(PVA)的接枝微粒PVA/SiO₂为固体吸附剂, 对槲皮素和芦丁2种黄酮类化合物进行了吸附研究, 结果表明, 由于接枝微粒PVA/SiO₂表面含有高密度的羟基, 使得该接枝微粒与黄酮类化合物分子之间可形成多位点的常规氢键和π型氢键, 溶剂的竞争吸附对黄酮化合物的吸附容量产生很大的影响. 以弱极性的1,2-二氯乙烷(DCE)为溶剂时, 几乎不存在溶剂的竞争吸附, 槲皮素和芦丁具有最高的吸附容量, 分别为0.32 mmol/g(96 mg/g)和0.23 mmol/g(140 mg/g); 而在质子溶剂乙醇中, 强烈的溶剂竞争吸附使两者的吸附容量降至0.22 mmol/g(65 mg/g)和0.14 mmol/g(87 mg/g). 升高温度会减弱氢键作用, 甚至使氢键断裂, 导致吸附容量减小. 质子溶剂中电解质的存在, 对吸附作用产生负性影响. 功能微粒PVA/SiO₂对黄酮类化合物的吸附为放热过程, 且为焓驱动的吸附过程.     

纳米石榴石固体电解质粉体在聚合物电解质中的均匀分散

固态锂电池(SSLBs)因采用金属锂负极和固体电解质,具有提高能量密度和安全性的潜质。固体电解质作为固态锂电池的关键材料,对电池性能有重要影响。其中,聚合物-石榴石型复合固态电解质因结合了聚合物电解质的易加工性以及石榴石电解质的热稳定性和高离子电导率的优点,在固态电池规模化制造中具有良好的应用前景。然而,由于纳米固体电解质粉体的表面能高、与有机物的界面兼容性差,导致纳米锂镧锆氧颗粒在聚合物基体中容易发生团聚,进而导致复合电解质的离子电导率降低。本工作引入硅烷偶联剂3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)对Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂(LLZTO)的表面进行改性,旨在改善LLZTO颗粒在溶剂和聚合物基体中的分散性。LLZTO纳米颗粒表面的羟基与GPTMS分子反应形成共价键,在颗粒表面形成一层厚度约5 nm的GPTMS修饰层。GPTMS中具有亲脂性的环氧基团,使改性后的LLZTO纳米颗粒(LLZTO@GPTMS)在有机溶剂中均匀分散。粒度分布实验表明,LLZTO...     

聚合物/SiO2杂化材料在药物控制释放中的应用*

聚合物用作药物控制释放载体时,具有释药浓度可控、药物的生物利用率高、可实现靶向治疗等优点。但有些聚合物也存在机械强度低、化学稳定性差、生物相容性不理想等缺点。二氧化硅(SiO₂)具有多孔、无毒、生物相容性好、化学和机械稳定性高、表面易功能化等优点。但SiO₂用作药物控制释放载体时,有时也存在载药量低、不能装载大分子药物、不能实现靶向释放等缺点。聚合物/SiO₂杂化材料作为药物控制释放载体,可有效结合二者的优点,并克服二者的缺陷。根据聚合物的种类和杂化体系性质的不同,我们分别对温敏性聚合物/SiO₂杂化材料、聚电解质/SiO₂杂化材料、生物高分子/SiO₂杂化材料以及其它一些聚合物/SiO₂杂化材料体系在药物控制释放中的应用进行了介绍,并展望了该领域今后的研究发展方向。     

一种新型物理交联型凝胶聚合物电解质的制备与表征

以甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(MPEGM)和十六烷基聚乙二醇甲基丙烯酸酯(HPEGM)为单体, 三乙二醇二甲醚(TEGDME)为增塑剂, 与锂盐(高氯酸锂, LiClO₄)和光引发剂(安息香二甲醚, DMPA)复合制成光敏体系, 经紫外(UV)固化得到物理交联型凝胶聚合物电解质(GPE)薄膜. 用红外(IR)光谱、差热分析(DSC)、拉伸测试和交流阻抗(AC) 等方法对聚合物基体和电解质的性能进行了研究.结果表明: 当共聚物P(MPEGM-co-HPEGM)中HPEGM含量为50%(w)时, 十六烷基链段(C₁₆)在聚氧化乙烯(PEO)链段静电斥力的作用下发生聚集, 自组装形成了物理交联, 提高了共聚物的空间稳定性; 温度和电解质中各组分的含量对电导率均有较大的影响, 综合性能较好的电解质在30℃时电导率可达0.87×10^-3 S·cm^-1; 采用循环伏安法测得该电解质的电化学窗口为0~4.5 V (vs. Li/Li⁺), 可以满足锂离子电池的应用要求; 组装成的LiFePO₄/GPE/Li电池, 在30℃下以0.1 C和0.2 C倍率进行充放电测试, 首次放电容量分别为154.7和148.0 mAh·g^-1.     

Vibrational spectra and microstructure of poly(ε-caprolactone)/siloxane biohybrids doped with lithium triflate

Fourier Transform infrared (FT-IR) and Raman (FT-Raman) spectroscopies and Scanning Electron Microscopy (SEM) were used to investigate ionic association, hydrogen bonding and morphology in a family of sol–gel derived lithium triflate (LiCF₃SO₃)-doped di-urethane cross-linked poly(ε-caprolactone) (PCL(530))/siloxane hybrid electrolytes. The materials studied, with compositions ∞ > n  0.5 (where n – composition – expresses the molar ratio of PCL(530) ester repeat units per Li⁺ ion), are non-porous and homogeneous. The Li⁺ ions interact with the urethane and ester carbonyl oxygen atoms within the whole range of salt concentration analyzed, promoting the formation of hydrogen-bonded aggregates. The composition dependence of the relative concentration of “free” anions and coordinated anions (weakly coordinated anions, ion pairs or [Li(CF₃SO₃)₂]⁻ triplets, aggregates I ([Li₂(CF₃SO₃)]⁺) and aggregates II ([Li₃(CF₃SO₃)]²⁺) in all the samples is in perfect agreement with the values of the room temperature ionic conductivity reported previously.     

PEO基聚合物电解质及其锂硫电池性能研究

锂硫电池由于具有高的理论比能量引起了广泛关注,然而传统液态锂硫电池由于多硫化物的“穿梭效应”以及安全问题而限制了其应用,全固态锂硫电池可显著提高电池安全性能并有望解决多硫化物的穿梭问题. 本文采用传统的溶液浇铸法制备了具有不同的[EO]/[Li⁺]的PEO-LiTFSI聚合物电解质,并将其应用于锂硫电池. 研究发现,虽然[EO]/[Li⁺] = 8的聚合物电解质具有更高的离子电导率,但是[EO]/[Li⁺] = 20的电解质与金属锂负极间的界面阻抗更低,界面稳定性更好. Li|PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)|Li对称电池在60 °C,电流密度为0.1 mA·cm^-2时可稳定循环超过300 h,而Li|PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)|Li对称电池循环75 h就出现了短路现象. 基于PEO-LiTFSI([EO]/[Li⁺]=20)电解质的锂硫电池首圈放电比容量为934 mAh·g^-1,循环16圈后放电比容量为917 mAh·g^-1以上. 而基于PEO-LiTFSI ([EO]/[Li⁺]=8)电解质的锂硫电池,由于与锂负极较低的界面稳定性不能够正常循环,首圈就出现了严重过充现象.     

FT-IR and Raman spectroscopic study of di-urea cross-linked poly(oxyethylene)/siloxane ormolytes doped with Zn ions

The interactions occurring in di-urea (NHC(O)NH) cross-linked poly(oxyethylene) (POE)/siloxane hybrids (di-ureasils) doped with zinc triflate (Zn(CF₃SO₃)₂) were investigated by Fourier Transform infrared (FT-IR) and Raman (FT-Raman) spectroscopies. Bonding of the Zn²⁺ ions to the urea carbonyl oxygen atoms occurs in the entire range of compositions studied (∞ > n ≥ 1, where n, salt content, is the molar ratio of oxyethylene moieties per Zn²⁺ ion). At n > 20 the incorporation of the guest cations progressively reduces the number of free CO groups. At n = 20 the saturation of the urea cross-links is attained and the Zn²⁺ ions start to coordinate to the POE chains giving rise to the formation of a crystalline POE/Zn(CF₃SO₃)₂ complex. The latter process occurs at the expense of the destruction of the hydrogen-bonded POE/urea structures of the host di-ureasil structure. New hydrogen-bonded associations, more ordered than the urea–urea aggregates present in the non-doped matrix and including Zn²⁺OC coordination, emerge in parallel. “Free” and weakly coordinated CF₃SO₃⁻ ions, present in all the xerogels studied, appear to be the main charge carriers of the conductivity maximum of this family of ormolytes located at n = 60 at 30 °C. In materials with n ≤ 20 contact ion pairs, “cross-link separated” ions pairs and higher ionic aggregates appear. The data reported demonstrate that the behaviour of the di-ureasils doped with triflate salts depends on the type of cation.     

阴离子插层镁铝水滑石结构及相互作用的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)计算了MgAl-LDHs层板与无机阴离子(F^-、Cl^-、NO₃^-、CO₃^2-、SO₄^2-)和有机阴离子(水杨酸根离子([HO(C₆H₄)COO]^-)、苯甲酸根离子([(C₆H₅)COO]^-)、对二甲氨基苯甲酸根离子([p-(CH₃)₂N(C₆H₄)COO]^-)、十二烷基磺酸根离子[C₁₂H₂₅SO₃]^-、己烷基磺酸根离子[C₆H₁₃SO₃]^-、丙烷基磺酸根离子[C₃H₇SO₃]^-)间的相互作用,获得稳定超分子几何结构及相互作用能。层板主体与客体间存在较强的超分子作用,包括主客体间静电作用和氢键等。主、客体间相互作用能数值大小顺序为CO₃^2- > SO₄^2- > F^-> Cl^-> NO₃^-;[p-(CH₃)₂N(C₆H₄)COO]^-> [(C₆H₅)COO]^-> [HO(C₆H₄)COO]^-和[C₁₂H₂₅SO₃]^-> [C₆H₁₃SO₃]^- > [C₃H₇SO₃]^-。另外,还采用自然键轨道(NBO)计算和分析了LDHs 层板与阴离子间作用机理,从二阶微扰理论计算得到的稳定化能变化趋势与相互作用能数据基本吻合。     

新型导电盐(三氟甲基磺酰)(三氟乙氧基磺酰)亚胺锂及其非水电解液的制备与性能

制备了一种新型含氟磺酰亚胺锂盐(三氟甲基磺酰)(三氟乙氧基磺酰)亚胺锂{Li[(CF₃SO₂)·(CF₃CH₂OSO₂)N], Li[TFO-TFSI]}及其与碳酸乙烯酯(EC)/碳酸甲乙酯(EMC)混合溶剂(3∶7, 体积比)组成的非水电解液. 采用核磁共振波谱(NMR)、 红外光谱(IR)、 质谱(MS)、 元素分析(EA)和离子色谱(IC)等手段对合成锂盐Li[TFO-TFSI]进行了结构表征及纯度分析. 通过差示量热扫描(DSC)和热重分析(TG)对Li[TFO-TFSI]及其电解液1.0 mol/L Li[TFO-TFSI]-EC/EMC(3∶ 7)的热学性质进行了表征. 采用交流阻抗(EIS)、 循环伏安(CV)、 计时安培法及扫描电子显微镜(SEM)等对Li[TFO-TFSI]/碳酸酯电解液的基础物化和电化学性质进行了表征. 结果表明, Li[TFO-TFSI]/碳酸酯电解液具有较好的电化学稳定性; 在4.2 V(vs. Li/Li⁺)以下Al箔不发生腐蚀; 室温下基于Li[TFO-TFSI]/碳酸酯电解液的Li/人造石墨和人造石墨/LiCoO₂电池均保持较好的循环性能, 特别是人造石墨/LiCoO₂锂离子电池循环100周后, 其比容量保持率明显高于相应的基于LiPF₆/碳酸酯电解液体系的电池.     

锂金属电池用三维半互穿网络聚合物电解质的制备

锂金属电池作为下一代高比能量电池技术受到人们越来越广泛的关注。然而由锂枝晶生长引发的安全问题是锂金属电池商业化面临的最大挑战之一。具有高锂离子迁移数和离子电导率的聚合物电解质是抑制锂枝晶生长的重要策略之一。本文将季戊四醇四丙烯酸酯和自由基引发剂AIBN添加至商业化电解液中,采用具有单离子传导功能的多孔聚合物电解质为锂金属电池的电解质隔膜,通过在电池内部发生热诱导原位聚合制备三维半互穿网络单离子传导聚合物电解质,达到提高电解质隔膜离子电导率和机械拉伸性能,以及有效抑制锂枝晶生长的目的。通过该策略的实施,成功获得了室温离子电导率0.53 mS·cm^-1和锂离子迁移数0.65的良好结果。应用于锂金属电池,证明该电解质能够有效抑制锂枝晶的生长和倍率性能的提高,为锂金属电池的开发提供了良好的解决路径。     

离子液体基聚合物的结构对染料敏化太阳能电池性能的影响研究

设计合成了分别悬挂磺酸官能团、磺酸锂官能团和烷基链官能团的三种结构的离子液体基聚合物,用于聚合物凝胶电解质的制备,并应用于染料敏化太阳能电池中.结果发现这三种聚合物含量的变化对电池性能的影响有较大差别.悬挂普通烷基链官能团的离子液体基聚合物(P-CH₃I)的加入,由于增加了电解质的粘度,使得电池的性能随着P-CH₃I含量的增加而变差;悬挂磺酸锂官能团的离子液体基聚合物P-LiI加入使电池的性能略微下降,而悬挂磺酸官能团的离子液体基聚合物P-HI加入到离子液体电解质后,在一定浓度范围内能改善离子的扩散等性能,从而使基于这种离子液体基聚合物的电池的光电性能相对较好.并通过电解质AFM微观形貌的研究解释了这三类电解质中离子扩散的差异以及光电性能的差别.     

活度系数法测定A2B型难溶盐的溶度积——以Ag2SO4为例

实验假设水溶液中Ag+和SO42－的浓度非常低时,其活度无论处于同一体系还是在不同体系均相同。依此设计原电池,使该原电池的电池反应为Ag2SO4(s)→2Ag+(aq)+SO42－(aq),采用补偿法测量一定温度下此原电池中AgNO3溶液浓度和K2SO4溶液浓度发生变化时的电池电动势E。依据能斯特方程和Debye-Huckel极限公式,推导出原电池标准电动势E?与电解质的平均活度系数γ±及溶液浓度的关系,用外推法作图得到此电池反应的标准电动势E?。由平衡常数与原电池标准电动势的关系,得到Ag2SO4的溶度积Ksp(Ag2SO4)。     

硫酸盐功能电解液增强水系钠离子电池NaTi2(PO4)3/C负极材料电化学性能的研究

水系钠离子电池具有钠资源丰富、成本低廉、安全可靠、维护简单等特点,在可再生能源规模储存领域具有重要应用前景。NASICON型NaTi₂(PO₄)₃具有可逆容量高、工作电位低、离子传输快等优点,是目前最受关注的水系钠离子电池负极材料。但是,该材料在传统的水系电解液中结构不稳定,循环性能不足。本论文通过调控Na₂SO₄浓度和引入MgSO₄添加剂,构建了一种新型硫酸盐功能电解液(2 mol·L^-1 Na₂SO₄ + 0.3 mol·L^-1 MgSO₄)。该电解液能够显著增强NaTi₂(PO₄)₃/C材料在充放电循环过程中的结构稳定性,从而提高其电化学可逆性和稳定性。电化学测试表明,NaTi₂(PO₄)₃/C基于该电解液在100 mA·g^-1条件下的可逆容量为93.4 mAh·g^-1,循环100次后容量保持率高达96.5%;基于该电解液构建的Na₂Ni[Fe(CN)₆]|NaTi₂(PO₄)₃/C电池可以稳定循环500次以上。本论文结合XRD、XPS等技术讨论分析了该电解液的功能作用机制,其研究结果为设计低成本高性能水系钠离子电池提供了新思路和实验基础。