高分子材料在鋰離子電池中的應(yīng)用.ppt

,高分子材料的定義： 高分子材料：macromolecular material,以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料。 高分子材料是由相對(duì)質(zhì)量較高較高的化合物構(gòu)成的材料，通常分子量大于10000，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和功能高分子材料等。 高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合體。,材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類(lèi)文明的重要里程碑。高分子材料在當(dāng)今世界乃至未來(lái)的世紀(jì)都充當(dāng)著舉足重輕的角色，新時(shí)代的高分子材料更是與各行各業(yè)緊密不可分。 近年來(lái), 高分子材料的新型發(fā)展方向已經(jīng)逐漸拓展到 醫(yī)用、通訊、光電等方面。性能越來(lái)越好的高分子材料在生活中，生產(chǎn)上應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。,高分子材料發(fā)展與應(yīng)用,高分 子材料,導(dǎo)電電極 固體或膠體電解質(zhì) 電子或空穴傳輸層 光敏染料 質(zhì)子交換膜 隔膜 基板和封裝材料,太陽(yáng)能電池 鋰離子電池 燃料電池,廣泛應(yīng)用,鋰離子電池工作原理,正極反應(yīng)：,負(fù)極反應(yīng)：,電池總反應(yīng)：,聚合物鋰離子電池的工作原理 與液態(tài)鋰離子電池基本相同唯一 的區(qū)別在于鋰離子在固體電解質(zhì) 中的傳導(dǎo)機(jī)理。在聚合物鋰離子 電池內(nèi)，主要是借助聚合物鏈段 的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 離子的傳導(dǎo)。,聚合物鋰離子電池，形狀上可以做到薄 形化、任意面積化和任意形狀化，大大 提高了，電池造型靈活性，且電化學(xué)性能 等方面也有大幅度提高。,聚合物正極材料,常用正 極材料,Li XCoO 2 Li XNiO2 LiXMn2 O4,聚合物 正極材料,聚苯胺(PAn) 聚吡咯(PPY) 聚噻吩(PTh) 聚對(duì)苯(PPP) 聚硫化物,聚苯胺,單體：,在電池中的重要型式：,聚苯胺正極材料在鋰離子電池中作用機(jī)理：,P型摻雜(或脫雜) PAn 電極充放電時(shí)通過(guò)陰離子摻雜脫雜實(shí)現(xiàn),N型摻雜(或脫雜) PAn 電極充放電時(shí)通過(guò)陽(yáng)離子摻雜脫雜實(shí)現(xiàn),聚苯胺電導(dǎo)率與PH關(guān)系： PH4 電導(dǎo)率與PH值無(wú)關(guān) 絕緣性 2PH4 電導(dǎo)率隨PH值降低而迅速增加 呈半導(dǎo)體特性 2PH 電導(dǎo)率與PH值無(wú)關(guān) 金屬性,聚苯胺制備方法： 電化學(xué)方法、化學(xué)法、乳液聚合法 微乳液聚合法、模板聚合法等。,聚吡咯,單體：,氧化還原反應(yīng)：,共軛鏈,聚吡咯正極材料在鋰離子電池中作用機(jī)理：,聚吡咯是中性共軛鏈聚合物，也需摻雜引入載流子 其主鏈上正電荷就是載流子。 載流子沿共軛鏈運(yùn)動(dòng)及電荷躍遷產(chǎn)生導(dǎo)電現(xiàn)象。 PPy的穩(wěn)定狀態(tài)是氧化(P型)摻雜。 P型摻雜的一般反應(yīng)式是：,PPy+,氧化態(tài),PPy0,中性態(tài),當(dāng)陰離子及支持電解質(zhì)均為硝酸根、高氯酸根等 較小的球形陰離子，其反應(yīng)是可逆的。,弱酸性溶液：,堿性溶液：,PPy膜對(duì)陰離子會(huì)發(fā)生與親核性很強(qiáng)的OH-離子交換, 其后的電化學(xué)還原和再氧化伴隨OH-的脫摻雜和再摻雜。但堿性過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致PPy結(jié)構(gòu)破壞。,水溶液：,PPy所處的電位超過(guò)0.5V時(shí)就會(huì)發(fā)生不可逆的氧化降 解反應(yīng)，使其共軛鏈結(jié)構(gòu)破壞，失去導(dǎo)電性和電化學(xué) 活性,聚噻吩,聚噻吩的制備條件較為苛刻，若控制好氧化劑的氧化電勢(shì)，則噻吩及其衍生物的PTh粉狀物具有較高電導(dǎo)率。,聚噻吩的一般合成方法：,聚硫化物,聚合物負(fù)極材料,這類(lèi)材料的分子結(jié)構(gòu)中含有雙硫鍵(-S-S)，基于其 可逆的電解聚-電聚合過(guò)程(2S- 而發(fā)生能量交換。 理論能量交換密度1500-3500W.h.kg-1，實(shí)際能量密度 可達(dá)830W.h.kg-1。 這種材料很大優(yōu)點(diǎn)就是可按預(yù)定方式控制其有機(jī)基團(tuán)和 分子結(jié)構(gòu)及通過(guò)共聚，共混來(lái)改變物理、化學(xué)和電化學(xué) 性能,S-S+2e-）,聚硫化物材料充放電機(jī)理：,本身不導(dǎo)電，在充放電循環(huán)中反復(fù)發(fā)生 電聚合和電解聚反應(yīng),放電-電解聚反應(yīng),充電-電聚合反應(yīng),速率控制步驟,速率控制步驟,自由基反應(yīng),自由基反應(yīng),常見(jiàn)的聚合物 鋰離子電池的負(fù)極材料,聚硫化物 聚2、5-二巰基-1,3,4-噻二唑 硫鏈交聯(lián)網(wǎng)狀聚合物 聚硫化碳類(lèi)聚合物,聚合物電解質(zhì),聚合物電解質(zhì)是指由大分子量的聚合物本體(包括共軛) 與鹽并添加無(wú)機(jī)材料所構(gòu)成的體系，具有離子傳導(dǎo)性。 聚合物電解質(zhì)電解質(zhì)又稱(chēng)為復(fù)合聚合物電解質(zhì)，或雜化 聚合物電解質(zhì)，通常狀態(tài)下為固態(tài)。 聚合物電解質(zhì)薄膜一般通過(guò)溶劑蒸餾的方法獲得。 聚合物電解質(zhì)提高電導(dǎo)率主要途徑是通過(guò)共混、形成聚 合物(例接枝共聚物、嵌段共聚物)、交聯(lián)、加入摻雜鹽 、加入增塑劑、加入無(wú)機(jī)填料和提高主鏈的柔性等降低 聚合物結(jié)晶度。,聚合物電解質(zhì)種類(lèi)： 共混聚合物：使分子鏈間相互作用，抑制結(jié)晶生成。 共聚物： 抑制結(jié)晶，提高鏈段運(yùn)動(dòng)的能力。 交聯(lián)聚合物：提高聚合物物理機(jī)械性能，抑制PEO結(jié)晶。 接枝聚合物：將短的低聚醚接到聚合物主鏈上，提高導(dǎo)電。 梳形聚合物：大量PEO側(cè)鏈，可抑制結(jié)晶增加無(wú)定形區(qū)含量。 超支化或星聚合物：三維球結(jié)構(gòu)，含大量支化單元和末端單元。 鹽摻聚合物：有較高室溫電導(dǎo)率和粘彈性。 單離子導(dǎo)電的聚合物：只有一種離子能迅速傳導(dǎo)的離子導(dǎo)體。 無(wú)機(jī)粉末復(fù)合型聚合物：增強(qiáng)分子材料機(jī)械性能。,聚合物導(dǎo)電機(jī)理,首先鋰離子與鏈段上 某些官能團(tuán)形成締合體,借助高分子鏈段蠕動(dòng),部分離子跨越能壘 使活性位移動(dòng)或替換,鋰離子在電場(chǎng)下定向移動(dòng),k,聚合物鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)：,聚合物膜厚度可以很薄，電池質(zhì)量相對(duì)較輕；,