PAMPS基锂离子聚合物电解质膜的制备及性能研究

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聚合物电解质膜是决定锂离子电池性能的关键材料之一。当前聚合物电解质膜仍然存在一系列性能方面的不足,如传输过程中电导率过低、尺寸稳定性差、成膜性能差等,需要进一步改善。本文针对上述问题,以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为基础,利用磺酸基团的强离子活度与碳碳双键的聚合反应合成了一系列含有磺酸基团的共聚物,采用共混改性的方法对聚合物电解质膜进行改性,并通过共溶剂法、粘度法和EDS能谱分析对聚合物电解质膜的相容性进行考察,在此基础上进一步对聚合物电解质膜展开结构与性能的方面的研究,以此来实现聚合物电解质膜的性能优化。具体研究内容如下:含有磺酸基团和酰胺基团的聚合物具有良好的亲水性、导电性及热稳定性,但单一的聚合物组成的电解质膜成膜性能很差,而含有碳氟结构的聚合物可以进一步提高聚合物的机械性能及离子电导率。本文以过硫酸钾-亚硫酸氢钠为引发剂,水溶液为分散介质,利用溶液聚合法分别进行了2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)单体的自由基聚合和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/甲基丙烯酸三氟乙酯(AMPS/TFEMA)的共聚,经过8h的反应分别得到浓度为20%的澄清透明呈粘稠状态的聚合物PAMPS溶液和呈蓝绿色粘稠的共聚物P(AMPS-TFEMA)溶液,经过纯化后,分别利用红外光谱、核磁共振、XRD和XPS表征了聚合物的结构,并对热稳定性进行了测试。实验表明,经过红外光谱与1HNMR对共聚物特征峰的分析,以及XRD和XPS的进一步表征,发现AMPS单体、AMPS与TFEMA已经分别成功发生聚合反应,生成聚合物PAMPS和共聚物P(AMPS-TFEMA)。经过热重分析后发现,聚合物PAMPS和共聚物P(AMPS-TFEMA)均具有良好的热稳定性。通过共溶剂法、粘度法和EDS能谱分析法研究了聚合物PAMPS、P(AMPS-TFEMA)与PVDF的共混相容性。结果表明,通过共溶剂法与粘度法发现,PAMPS的比例为10%-40%时,PAMPS/PVDF中表现出良好的相容性;PAMPS-PEG中,PEG的含量为20-30%时,(PAMPS-PEG)/PVDF有良好的相容性;P(AMPS-TFEMA)的比例为10%-40%时,P(AMPS-TFEMA)/PVDF表现出良好的相容性。并通过EDS能谱分析进一步证实了共聚物与PVDF在一定配比内,相容性较好。利用浸没沉淀相转化法制备出P(AMPS-TFEMA)/PVDF、PAMPS/PVDF和(PAMPS-PEG)/PVDF共混膜。利用红外光谱和SEM对膜的表面结构进行了观察并对膜的性能进行了测试。结果发现,随着聚合物含量的增加,电解质膜呈现出膜孔较多且均匀完整。综合三种聚合物膜的性能发现,机械性能最强的膜为(PAMPS-PEG)/PVDF,所能承受的最大力为17.99N;P(AMPS-TFEMA)/PVDF膜的电导率为2.6×10-3 S.cm-1,电化学窗口为3.5V,P(AMPS-TFEMA)/PVDF共混膜热分解温度为350℃,溶胀比的变化为3.06%。
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