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：macromolecularmaterial,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,LiXCoO2LiXNiO2LiXMn2O4,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