新型氟磷酸盐全固态钠离子电解质的制备及其性能研究

发布时间：2017-08-13 02:31

  本文关键词：新型氟磷酸盐全固态钠离子电解质的制备及其性能研究

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【摘要】：随着电动交通工具的日益发展,人们对锂离子电池的需求迅速增长,随之而来的锂资源紧缺问题愈发严重。钠离子电池的原材料资源丰富、成本低廉,已经逐渐成为了科研工作者关注的热点。钠离子电解质是钠离子电池中的重要组成部分,目前室温固态钠离子电解质的电导率最高为3×10-4 S·cm-1,但是这种电解质是一种硫系玻璃陶瓷材料,高纯度的硫系化合物成本高昂,化学性质不稳定,合成电解质的过程也相对复杂。因此,寻找一种成本低廉、电导率高、化学性质稳定且合成过程简单易行的钠离子电解质材料更有利于全固态电池的大范围应用。本论文阐述了高温熔融法制备新型全固态氟磷酸盐玻璃的过程,并采用二次热处理法控制玻璃基质的析晶过程,形成具有快离子导体结构的微晶玻璃电解质材料,系统研究了材料的理论基础、制备工艺以及电解质材料的性能,具体内容如下:1、简单介绍了全固态电池的发展背景,综述了全固态钠离子电池的机理以及研究进展,重点阐述了全固态钠离子电解质在钠离子电池中的应用及其优缺点,并介绍了固态电解质及液态电解质的离子传导机理,最后设计了一种新型固态钠离子电解质并研究了离子传输机理。2、总结了全固态钠离子导电玻璃、微晶玻璃以及相关晶体电解质的制备方法,详细的介绍了电解质材料的结构测试、微观形貌测试、电化学性能测、化学性能以及热稳定性的测试步骤。3、详细的介绍了 Na_2O-B_2O_3-P_2O_5-ZrO_2(NBPZ)玻璃,微晶玻璃以及( Na_2O+NaF)-TiO2-B_2O_3-P_2O_5-ZrF_4(NTBPZ)体系玻璃以及微晶玻璃的选择机理。4、通过二次热处理方法制备了一种氧化物钠离子电解质材料,主要以 Na_2O-B_2O_3-P_2O_5-ZrO_2(NBPZ)体系为玻璃基质。通过控制二次热处理控制材料析出晶体,进而达到对材料电性能改进。NBPZ玻璃陶瓷的室温钠离子电导率可高达10-5 S·cm-1。5、通过对NBPZ体系的改进,再次通过二次热处理方法制备了一种析晶可控的新型全固态氟磷酸盐钠离子电解质材料,主要以( Na_2O+NaF)-TiO2-B_2O_3-P_2O_5-Zr F_4(NTBPZ)体系为玻璃基质。通过控制二次热处理的温度、时间来控制材料析出晶体的尺寸、密集度、均匀度,进而达到对材料电性能、化学性能以及热力学稳定性的改进。并最终获得了活化能约为13.9kJ·mol-1,室温钠离子电导率可高达3×10-5 S·cm-1,可以在空气氛围下承受500°C以下高温且不发生化学反应。
【关键词】：全固态电池 氟磷酸盐 玻璃 微晶玻璃 离子电导率
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ171.1;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 专用术语注释表9-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 全固态钠离子电池基本原理以及研究进展11-14
• 1.3 全固态钠离子电解质14-22
• 1.3.1 全固态钠离子聚合物电解质14-16
• 1.3.2 全固态钠离子晶体电解质16-17
• 1.3.3 非晶态与微晶玻璃态的全固态钠离子电解质17-22
• 1.4 本论文的创新点以及研究工作22-24
• 第二章 全固态钠离子电解质的制备方法与性能表征24-29
• 2.1 玻璃态全固态钠离子电解质的制备方法24-25
• 2.1.1 高温熔融法24
• 2.1.2 机械球磨法24-25
• 2.2 微晶玻璃全固态钠离子电解质的制备方法25-26
• 2.2.1 二次热处理法25
• 2.2.2 纳米晶参杂烧结法25-26
• 2.3 晶体全固态钠离子电解质的制备方法26
• 2.4 玻璃态以及微晶玻璃态钠离子电解质的性能表征26-27
• 2.4.1 玻璃的析晶形成区以及热稳定性分析测试26
• 2.4.2 玻璃及微晶玻璃的晶体结构测试26-27
• 2.4.3 玻璃及微晶玻璃的内部微观形貌测27
• 2.4.4 玻璃及微晶玻璃进行电性能的测试27
• 2.4.5 玻璃及微晶玻璃化学稳定性的测试27
• 2.4.6 玻璃及微晶玻璃电性能寿命的测试27
• 2.5 本章小结27-29
• 第三章 基于新型氟磷酸盐全固态钠离子电解质的选择机理29-35
• 3.1 引言29-30
• 3.2 氟磷酸盐玻璃中离子的传导机理30-31
• 3.3 Na_2O-P_2O_5-B_2O_3-ZrO_2（NPBZ）体系的选择机理31-33
• 3.3.1 NaZr_2(PO4)3导电晶体的选择机理31-33
• 3.3.2 Na_2O-P_2O_5-B_2O_3-ZrO_2（NPBZ）玻璃基质的选择机理33
• 3.4 (Na_2O+NaF)-TiO_2-B_2O_3-P_2O_5-ZrF_4（NTBPZ）体系的选择机理33-34
• 3.4.1 NaTi_2(PO_4)_3导电晶体的选择33-34
• 3.4.2 (Na_2O+NaF)-TiO_2-B_2O_3-P_2O_5-ZrF_4（NTBPZ）玻璃基质的选择34
• 3.5 本章小结34-35
• 第四章 基于NPBZ玻璃以及微晶玻璃电解质的制备及其性能研究35-42
• 4.1 引言35
• 4.2 实验部分35-38
• 4.2.1 实验材料与试剂35-36
• 4.2.2 NPBZ玻璃的制备36
• 4.2.3 NPBZ微晶玻璃的制备36-37
• 4.2.4 NPBZ玻璃以及微晶玻璃性能的测试37-38
• 4.3 结果和讨论38-41
• 4.3.1 NPBZ玻璃的析晶形成区以及热稳定性分析38-39
• 4.3.2 NPBZ玻璃及微晶玻璃的晶体结构测试39
• 4.3.3 NPBZ玻璃及微晶玻璃的内部微观形貌测39-41
• 4.3.4 NPBZ玻璃及微晶玻璃进行电性能的测试41
• 4.4 本章小结41-42
• 第五章 基于NTBPZ玻璃以及微晶玻璃电解质的制备及其性能研究42-57
• 5.0 引言42
• 5.1 实验部分42-45
• 5.1.1 实验材料与试剂42
• 5.1.2 NTBPZ玻璃的制备42-43
• 5.1.3 NTBPZ微晶玻璃的制备43
• 5.1.4 NaTi_2(PO_4)_3晶体的制备43-44
• 5.1.5 NTBPZ玻璃、微晶玻璃以及NaTi_2(PO_4)_3晶体性能的测试44-45
• 5.2 结果和讨论45-55
• 5.2.1 NTBPZ玻璃的析晶形成区以及热稳定性分析46-47
• 5.2.2 NTBPZ玻璃及微晶玻璃的晶体结构测试47
• 5.2.3 NTBPZ玻璃及微晶玻璃的内部微观形貌测47-50
• 5.2.4 NTBPZ玻璃及微晶玻璃进行电性能的测试50-54
• 5.2.5 NTBPZ玻璃及微晶玻璃的化学稳定性的测试54-55
• 5.2.6 NBP玻璃以及NTBPZ微晶玻璃的电性能寿命的测试55
• 5.3 本章小结55-57
• 第六章 总结与展望57-58
• 参考文献58-62
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文62-63
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利63-64
• 附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目64-65
• 致谢65-66

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