电纺PVDF/TPU聚合物电解质膜的形态控制与性能研究

Microporous gel polymer electrolyte materials have attracted great attentions because of its potential and broad applications in lithium ion batteries field. However, the major difficulty in the practical application and development of such materials is that how to prepare a gel polymer electrolyte material which not only processes high mechanical strength, but also the ionic conductivity is well kept. The blending modification method is one of simple and efficient way for such purposes. In this method, the blending compatibility, interactions between different phases and the morphology control are the key problems. In this proposal, we will adopt the electrospinning method to control the blend morphology of PVDF and TPU. The nature of two-phase interactions and complicated two-phase structure between the PVDF and TPU at different preparation conditions will be studied from both thermodynamic and kinetic aspects. Through these studies, we are aim to establish the structure-function relationship for the blending microporous PVDF/TPU gel electrolyte materials and hence prepare novel microporous PVDF/TPU gel electrolyte material with high ionic conductivity and mechanical strength. The implementation of this project may the theoretical foundation for the preparation and application of novel blending polymer electrolyte material.

多孔凝胶聚合物电解质材料因具有在锂离子电池领域广阔的应用前景而引起了国内外学者的广泛关注，但如何在保持较高的电导率情况下提高多孔凝胶聚合物电解质基体的机械强度一直是该材料发展中的一个难题。共混改性离子导电聚合物是一种比较简单有效的方法。共混物组分间的相容性、两相界面作用与形态控制是聚合物共混材料研究中最关键和核心的问题。本项目拟采用静电纺丝的方法，从PVDF/TPU共混物形态控制出发，从体系热力学驱动力与动力学因素控制两方面着手，研究各种制备条件下得到的PVDF/TPU膜中的两相相互作用特征、复杂相态结构，建立共混型多孔凝胶PVDF/TPU电解质材料的构-效关系，以期制备出兼具高离子导电率与良好机械性能的PVDF/TPU聚合物电解质材料。项目的实施将为新型共混聚合物电解质材料的制备和应用奠定理论基础。

自项目启动以来，我们认真按照申请书的要求开展相关工作，重点研究了电纺PVDF/TPU聚合物电解质膜的制备、形态与电化学性能，取得了令人满意的成果。首先，我们以PVDF的嵌段共聚物P(VDF-HFP)为基，通过静电纺丝法制备了P(VDF-HFP)/TPU凝胶聚合物电解质。研究表明，相容性的增加有利于提升PVDF/TPU的抗拉伸强度，共混物的纺丝浓度、配比均对P(VDF-HFP)/TPU凝胶聚合物电解质膜的结构、电化学性能和稳定性有较大影响。其次，以PVDF的接枝共聚物PVDF-g-MA为改性剂，制备了PVDF/TPU/PVDF-g-MA凝胶聚合物电解质，研究表明PVDF/TPU共混材料的界面相容性的改变会导致材料聚集态结构变化，界面相容性的提高有利于PVDF/TPU电纺膜的机械强度、耐热性能、孔隙率、吸液率、离子电导率以及电化学稳定性的提升。再次，以其它聚合物（PS、PAN、PMMA）共混PVDF/TPU，制备PVDF/TPU基三元共混凝胶聚合物电解质，研究表明三元共混凝胶聚合物电解质无论是在机械性能，还是在离子电导率、电化学稳定性等电化学性能方面均优于二元共混体系。通过该项目的开展，为建立共混型多孔凝胶PVDF/TPU电解质材料的构-效关系提供了基本认识，为这类兼具高离子导电率与良好机械性能的聚合物电解质材料的具体应用提供了新思路。同时，依托该项目我们还开展了新型含氮炭材料的制备与电容性能的前期研究工作。以上述相关实验结果为基础共培养研究生7名，授权国家发明专利1项，发表SCI论文9篇，其中影响因子高于6.0的1区SCI论文2篇。