高温安全纳米复合离子胶的一步法制备及导电机理研究

动力锂离子电池的安全问题已经成为其在电动车上普遍应用的重要障碍，制备高温安全电解质替代易燃有机电解质的工作已经刻不容缓。本项目以咪唑类室温离子液体为非溶剂，控制成膜工艺，使偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物[P(VDF-HFP)]相分离形成多孔膜、SiO2纳米粒子原位填充孔壁、甲基丙烯酸甲酯单体原位聚合填充聚合物膜微孔等反应依次进行，一步制备以P(VDF-HFP)为骨架支撑的高温安全纳米复合离子胶。重点研究室温离子液体、纳米粒子、聚甲基丙烯酸甲酯对纳米复合离子胶的微观离子迁移通道结构的影响规律，探索纳米复合离子胶的最优制备工艺，研究其离子导电机理。本项目的完成可为P(VDF-HFP)在咪唑类离子液体中相分离成膜和丰富P(VDF-HFP)-离子液体-溶剂三元相图提供理论基础，为制备高温安全纳米复合导电离子胶提供理论依据，为大力改善动力锂离子电池的高温安全性能，推动其在电动车上的广泛应用奠定基础。

室温离子液体（RTIL）替代碳酸酯类有机溶剂增塑聚合物电解质而制备的凝胶聚合物电解质（GPE），即导电离子胶（CIG）高温安全、室温离子电导率接近10-3 S cm-1，可排除动力锂离子电池的安全隐患。GPE的机械强度较低，因此在改善GPE机械性能的同时，又要保证GPE中锂离子的快速迁移，成为本项目的研究目标。为实现这一目标，双连续相聚合物电解质成为首选，因为其中一个连续相为不溶于RTIL的聚合物骨架；另一个相为三维离子导电RTIL/锂盐凝胶。主要研究内容如下：.（1）咪唑类RTIL中阴、阳离子结构和纳米SiO2颗粒对P(VDF-HFP)基GPE电化学性能和热稳定性的影响规律;.（2）简单共混PMMA和P(VDF-HFP)，RTIL被束缚于PMMA相中，减轻其与锂金属的接触，改善组装电池的循环性能;.（3）采用一步法工艺，控制合成条件，依次使正硅酸乙酯（TEOS）室温原位水解，再升高温度引发MMA单体原位聚合，最后挥发完全溶剂NMP，制备了具有良好双连续相的GPE;.（4）采用CaCO3硬模板法合成了三维多孔P(VDF-HFP)聚合物电解质；.（5）采用高压静电纺丝技术制备了P(VDF-HFP)/SiO2 (5%)纳米复合纤维聚合物电解质，但是由于电解质溶液的渗漏，组装的模拟电池的循环性能欠佳;.（6）表面接枝PMMA改性PVDF/SiO2纳米复合纤维膜，制备了漏液率低的GPE。.此外，在该基金的支持下，我们研制了一些高能电极材料，例如V2O5、LiMn2O4、MnO2/C、SnO2/C、Si/graphene等，取得了理想的研究成果。.总之，RTIL种类的选取、双连续相GPE的合成工艺探索及简化、纳米颗粒的填充方式和填充量的优化、以及高压静电纺丝纳米复合纤维膜的改性，为合成具有双连续相的GPE提供了丰富的理论数据。特别是，一步法制备RTIL增塑的PMMA/P(VDF-HFP)纳米复合聚合物电解质的工艺具有明显的、可连续化生产聚合物电解质膜的潜力，为湿法工业化生产高温安全导电离子胶提供了实验模型。该GPE为动力锂离子电池在电动车辆上的广泛使用奠定了安全基础。此外，开发的新型高能电极材料，为组装高温安全动力锂离子电池铺平了道路。