本世纪,电化学储能问题是人类面临的重要社会挑战之一。高能环保型锂离子电池具有循环寿命长、比能量大、工作电压高、可快速充放电和无记忆效应等优点,因此被广泛应用在笔记本电脑、手机、汽车、医疗设备和航空等领域。电解质作为电池重要的组成部分,能够直接影响锂离子电池电化学性能。传统的液体电解质是将锂盐溶解在非质子的极性有机溶剂中。这类电解质沸点高、电化学稳定性好,而且能够在较宽温度范围内使用,但它却存在不可忽视的安全隐患,例如对水敏感、易泄漏、易燃、易分解甚至会发生爆炸。由于电池中的隔膜作为离子的传导介质需要浸泡在液体电解质中,而隔膜上的孔洞为阴极和阳极之间连接通路的形成提供了可能,因此电池在充、放电过程中会形成锂枝晶,从而导致电池短路。近年来,发展聚合物电解质替代液体电解质引起人们极大的兴趣。聚合物电解质能够有效抑制锂枝晶生长和增强电池安全性能。大部分的聚合物电解质都是双离子导体型聚合物,在电场中这种聚合物的阴离子和阳离子同时运动,当锂离子在阴极上沉积或插入时,阴离子移向并集聚在阳极,形成浓度梯度,这种现象会导致电池内浓度极化现象和锂离子迁移数减少,意味着电池真实离子电导率低于电化学阻抗谱图的数据计算值。大多数双离子导体电解质的锂离子迁移数很低(0.3～0.5)。为了提高电池离子电导率、输出功率和降低极化损耗,开发新型锂单离子导体聚合物电解质(SIPE)具有重要的意义。通常在SIPE中阴离子被固定或者被限制移动,使锂离子的迁移数接近于1。与普通的化学共聚方法相比,辐射接枝技术是方便的、易于控制的。只需要调整化合物的组成、性质和反应参数,我们将得到适合于特定应用系统的聚合物结构,即使是高度不相容的单体间仍然能发生共聚。辐射接枝反应是由高能射线引发,反应过程中不需要额外添加引发剂,简化了后续提纯工艺,得到十分纯净的共聚物。本实验引入预辐射接枝技术,实现将阴离子固定在聚合物主链上,制备了两种新型预辐射接枝共聚SIPE:(1)选用聚偏氟乙烯(PVDF)粉末作为基底材料,高能射线对其进行预辐照,随后接枝上甲基丙烯酸六氟丁酯(HFMA)和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸锂(AMPSLi)两种单体。PVDF是最常用聚合物电解质基材之一,它具有成膜性能好,介电常数高,玻璃转变温度低等优点。但PVDF与锂盐的相容性差,自身结晶度高,因此PVDF基聚合物电解质的离子电导率低,这限制了它在锂离子电池中的广泛应用。HFMA单体上含O和F路易斯碱官能团,有利于锂盐溶剂化和去溶剂化,提高锂离子的传输能力。AMPSLi单体作为锂源接枝在PVDF基底上,AMPSLi单体上磺酸基团阴离子的固定,使锂离子成为唯一可以自由移动的基团,制备的聚合电解质的锂离子迁移数接近于1。采用核磁共振谱(NMR)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等技术对聚合物进行化学结构、晶体形态和膜形态表征,验证了所制备聚合物的结构与理想设计一致。制备的聚合物电解质膜表现出了优异的综合性能,其力学性能表现为72%的断裂延伸率和28 MPa的抗拉强度,室温下离子电导率能够达到10-5 S cm-1,锂离子迁移数高达0.93,并且具有稳定的电化学氧化电压4.4VvsLi/Li+。除了上述优秀性能外,装配的聚合物电解质扣式电池的室温充、放电循环性能稳定。(2)当偏氟乙烯(HFP)与PVDF形成共聚物PVDF-HFP,在保持PVDF优良耐热性、韧性和高介电常数等优点的同时,降低了基材的结晶度。基材无定形区域的增加对增强聚合物电解质的离子导电性是有利的。本实验选取PVDF-HFP粉末作为聚合物基材,高能射线预辐照后,接枝上AMPS锂源,制备了一种基于PVDF-HFP新型单离子聚合物电解质。利用FTIR分析方法对得到的接枝共聚物进行结构表征。利用离子交换容量、扫描电镜和能量散射光谱(EDS)分析技术对接枝聚合物膜上的元素进行了定性和定量分析。随后测定了 SIPE膜的离子电导率、电化学窗口和电池充、放电循环性能。