集成固态锂空气电池的构筑及界面调控

发布时间：2020-06-05 07:50

【摘要】：在环保和低碳的双重诉求下,新能源汽车取代传统燃油车的趋势已经不可逆转,其中电动汽车作为一类重要的新能源汽车,成为近年来的研究热点。新能源汽车发展有两个问题:续航里程和安全问题。后锂电池中的锂空气电池采用比容量大、可逆电位低的金属锂作为负极,空气中的氧气作为正极活性物质,具有高达11430 Wh kg~(-1)的理论能量密度(不含氧气)。相比传统液态电解质,固态电解质不含易燃、易挥发组分可以大幅提高电池的安全性。因此,固态锂空气电池有望成为未来电动汽车的动力储能电芯。然而,固态锂空气电池仍面临许多问题,如锂金属和固态电解质的化学稳定性差、界面阻抗大、电池成型技术要求高且一致性差等,本课题以石榴石型固态电解质材料和锂空气电池为研究对象,主要针对固固态界面的兼容性和固态电池的一体化集成做了相关研究,主要成果如下:(1)以铵基离子液体的阳离子与固体电解质和碳空气正极之间的非共价相互作用为基础,将离子液体电解液(ILE)分别在Li_(6.40)La_3Zr_(1.40)Ta_(0.60)O_(12)(LLZTO)纳米颗粒和多壁碳纳米管(MWCNTs)上固化和凝胶化,得到了LLZTO@ILE准固态电解质薄膜和MWCNTs-LLZTO/ILE凝胶正极薄膜。继而发展出辊压成型的方法,通过准固态电解质与凝胶正极的界面集成,实现集成准固态锂氧气电池的构筑。制备的准固态电解质具有高达1.71×10~(-3) S cm~(-1)(60℃)的离子电导率,0.56的锂离子迁移数以及~4.8 V的宽电化学窗口和良好的热稳定性。凝胶正极与准固态电解质优良的兼容性使准固态Li-O_2电池在60℃和200 mA g~(-1)的电流密度下具有低的界面阻抗(~87Ωcm~2)、低充电极化(0.44 V)、优异的可逆循环性能(稳定循环70圈)以及相当高的电能效率(70%)的特点。这些结果表明基于离子液体中阳离子的非共价相互作用的界面集成可能是解决固态储能装置中固-固界面问题的有效方法。(2)以Li_2O液相烧结制备的高致密LLZTO流延片固体电解质为基础,通过脉冲激光沉积氧化镍(NiO)的锂负极/电解质固固界面调控和LAGP电解质支撑的高效氧正极设计,实现集成全固态锂空气电池的构筑。制备的~200μm厚的LLZTO流延片具有高达99%致密度、5.2×10~(-4) S cm~(-1)室温离子电导率、并且与锂金属的化学和电化学稳定性高。脉冲激光沉积50 nm的NiO层与锂金属发生转化反应后生成的Ni/Li_2O的交联复合材料降低了Li/LLZTO界面阻抗(从2250Ωcm~2至275Ωcm~2),提高了锂沉积-剥离过程中的界面稳定性,即Li/NiO-LLZTO-NiO/Li对称电池高达0.8 mA cm~(-2)临界电流密度与长达400 h的稳定循环。采用PMMA:LAGP重量比为1:2的模板法制备出来的多孔支撑体的孔隙率更高,更利于活性碳材料的负载和固态锂空气电池比能量密度的提高。在LLZTO流延片的基础上,经过界面调控、多孔氧正极构筑组装的Li/NiO-LLZTO/LAGP-C全固态锂空气电池具有较好的电化学性能,为实现二次锂氧气电池直接在空气中运行奠定初步基础。
【图文】：

集成固态锂空气电池的构筑及界面调控不存在易燃和漏液等问题，具有更高的安全性和更长的循没有其它物质扩散到电极表面并在电极表面进行电荷转移效地抑制副反应，提高了固态电池的耐久性；固态电解质具有更宽的电化学窗口和机械强度，可以与高电极兼容，使固态电池获得更高的能量密度；固态电池中不存在浓差极化，因而可在大电流条件下工作。述，开发更高能量密度和安全性的固态锂空气电池具有重

第一章 绪论：2Li + (1/2)O2+H2O → 2LiOH (碱性溶液) …2Li + (1/2)O2+ 2H+→ 2Li++ H2O (酸性溶液) …了避免锂金属与水发生剧烈氧化还原反应，最有效的办法就是用与子导体保护锂金属。水系锂空气电池不存在有机体系中反应产物堵问题，但在保护锂负极的锂离子导体稳定性问题上目前还没有得到比如锂离子导体与锂金属的稳定性和其在水溶液中的稳定性。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.41

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本文编号：2697738