全固态锂离子电池与锂硫电池关键材料的相转化法制备与表征

发布时间：2022-01-14 19:40

　　锂离子电池是能量高效转化与储存的关键器件,其在便携式电子器件、电动汽车等领域已经具有成功的商业化应用。但是,其未来的进一步规模化发展仍然面临着严峻的挑战。一方面,传统的锂离子电池均以有机电解液作为电解质,存在漏液的风险和易燃的特性,给锂离子电池造成了安全隐患。另一方面,传统锂离子电池正极材料的理论比容量相对较低,且锂资源成本较高,这对锂离子电池的应用是不利的。本论文针对上述问题,选取了高安全性能的全固态锂离子电池和高理论比容量、低成本的锂硫电池作为主要的研究方向。在这两类电池关键材料的制备上,均采用了相转化技术,即通过溶剂与非溶剂间的相互扩散,形成具有特殊微观形貌的薄膜材料。在全固态电池中,利用相转化法制备出了固体电解质薄膜,其一体化的双层（直通孔层与致密层）结构增大了电解质与复合电极的接触面积,为全固态电池的构造提供了新的思路。在锂硫电池中,相转化法充分发挥了其造孔优势,制备出了内部相互连通的三维多孔电极,优化了锂硫电池的电化学性能。在第一章中,首先介绍了锂离子电池的组成和其工作原理,其次对全固态锂离子电池和锂硫电池的研究情况分别进行了概述。在全固态电池领域介绍了陶瓷类电解质、聚合物... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：147 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

铿离子电池工作原理图

图１．２钙钛矿型电解质ＬＬＴＯ的晶体结构??立方石榴石型电解质因其较宽的电化学窗口和较高的离子电导率成为最具??潜力的固体电解质材料之一，其晶体结构如图１．３所示。Ｔｈａｎｇａｄｕｒａｉ等首次报道??了石榴石结构的电解质Ｌｉ５Ｌａ３Ｍ２０１２?（Ｎ＾Ｔａ＾?Ｎｂ），但该电解质的离子电导率较低??（－ｌＯ＾Ｓｃｍ—１）?［１９］。之后，Ｍｕｒｕｇａｎ等研宄了新型石權石相电解质ＬｂＬａ＾Ｚｉ＾Ｏｕ??（ＬＬＺＯ），发现该材料在室温下展现出高达３Ｘ１０＂４?Ｓ?ｃｍ“的总离子电导率［２０］，??因而受到人们的关注。ＬＬＺＯ有立方相（离子电导率：？Ｉｔ）＂１?Ｓ?ｃｍ—１）和四方相（离??子电导率：两种结构，并在高温下会发生四方相向立方相的转变，??由于立方相具有较好的性能，所以如何在室温下稳定立方石榴石相是一个值得注??意的问题。研宄者们发现，当用Ａｌ３＋部分取代Ｌｉ＋时，可以在室温下获得稳定的??立方相产物［２１］。此外，元素掺杂是提高立方石榴石型ＬＬＺＯ电解质离子电导率??的一个重要方法。首先是Ｚｒ位掺杂

图１．３立方石榴石型电解质ＬＬＺＯ的晶体结构??Ｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈ等在１９７６年报道了?ＮＡＳＩＣＯＮ型钠离子导体??ＮａＨｘＺｎＰｓ－ｘＳｉｘＯｕＰＯ］，?ＮＡＳＩＣＯＮ晶体结构如图１．４所示，Ｍ０６八面体和Ｐ０４??四面体共顶点连接形成三维骨架结构，钠离子占据骨架中的空位［３１］。当Ｎａ＋被??Ｌｉ＋取代时可以维持原有的晶体结构形成ＮＡＳＩＣＯＮ型锂离子导体，总体来说这??类电解质的分子通式是?ＬｉＭ２（Ｐ０４）３?（Ｍ＝Ｇｅ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ）?［３２－３４］，其中?ＬｉＴｉ２（Ｐ０４）３??和ＬｉＧｅ２（Ｐ０４）３被广泛研宄但它们的离子电导率较低［３５，３６］。为提高电解质的离??子电导率，研宄者们尝试用各种元素进行Ｔｉ位掺杂，合成出了?Ｌｉ１＋ｘＭｘＴｉ２－ｘ（Ｐ０４）３??（Ｍ?＝?Ａ１，?Ｃｒ，Ｇａ，?Ｆｅ，Ｓｃ，Ｉｎ，?Ｌｕ，Ｙ，?Ｌａ）?—系列产物，其中?Ａ１?掺杂的电??解质?ＵｍＡＩｃｕＴＭＰＯＡ?（ＬＡＴＰ）获得了?ｌ．Ｃ＾ｘＨ＾Ｓｃｍ—１?的高离子电导率［３７－４０］。??但如前所述，这些含Ｔｉ４＋的电解质都会在低电压下被锂还原，因而电化学窗口较??窄。相比于ＬＡＴＰ


本文编号：3589092