石榴石型固体电解质的制备、结构与电化学性能研究

发布时间：2020-03-19 12:20

【摘要】：传统锂离子电池的电解质通常采用液态电解液,但液态电解液存在易泄露、易燃、易爆等安全问题,固体电解质可以解决液态电解液所带来的一系列问题而备受关注。石榴石型固体电解质具有电化学稳定性好、电化学窗口宽、与金属锂接触稳定等优点,是固体电解质材料的较优选择,但是它的离子电导率较低且立方相结构不易获取。本文通过不同离子替换的方法来制备高电导率的立方相石榴石型固体电解质材料。采用同价Ge4+取代Zr4+制备了 Li7La3Zr2-xGexO12(x=0-0.4)石榴石型电解质材料。研究表明:此材料为立方相石榴石型结构,少量Ge4+会进入Li+位置产生较多的Li+空位,Ge4+的取代也可以促进晶粒生长并且提高材料的致密度。当x=0.3时,Li7La3Zr1.7Ge0.3O12在室温下的离子电导率可达4.78×10-4S/cm,并且在-20℃～-60℃范围内的活化能仅为0.29eV。Li7La3Zr1.7Ge0.3O12电解质材料具有较宽的电化学窗口,与负极锂金属接触稳定,应用其组装的电池在电流密度为0.1C进行充放电循环20次后放电容量仍然保持在140.6mA g-1。通过高价Bi5+取代Sn4+制备了 Li7-xLa3Sn2-xBix012(x=0-1.0)石榴石型电解质材料。研究表明:通过较低烧结温度(750℃)可以获得室温立方相结构的Li6.25La3Sn1.25Bi0.75O12,增长烧结时间有利于晶粒的生长,从而获得高电导率的电解质材料。随着Bi5++浓度的增大,材料的结构由四方相变为立方相,当x=0.25时为四方相和立方相的混合相,当0.5≤x≤1.0为纯的立方相石榴石型结构。此外,当x=0.75时,Li6.25La3Sn1.25Bi0.75O12具有较高的离子电导率和低的活化能,在60℃时其离子电导率可达2.25×10-4S/cm,并且在-20℃～60℃范围的活化能为0.55eV。此材料具有低的电子电导率,是良好的离子导体。通过高温固相法制备了 Li7La3Zr2-xSnx012(x=0-1.0)陶瓷电解质材料。研究表明:1180℃烧结的样品具有高的致密度和较高的离子电导率。当0.1≤x≤0.5时,Li7La3Zr2-xSnxO12为立方相石榴石型结构,并且具有较高的离子电导率,均在10-4数量级。当x=1时,其结构为四方相和立方相混合的石榴石型结构,离子电导率为1.02×10-5S/cm。样品的晶界电阻大于晶粒电阻,晶界电阻是阻碍离子传导的主要原因。此材料具有低的电子电导率,是理想的离子导体,同时Li7La3ZrSnO12具有宽的电化学稳定窗口。
【图文】：

大规模储能可以消纳再生能源发电并且提高风电入网效率，所以开发高效且成本逡逑低的大规模储能是能源可持续发展的重要环节。储能技术根据储存的介质可以分为机逡逑械类储能、电气类储能、热储能、化学类储能和电化学类储能如图１－１。电化学储能逡逑具有能量密度高、维护成本低、响应时间短等优点，并且是现在大规模储能技术的主逡逑要发展方向［７］。锂离子电池属于电化学类储能中的一种，由于锂离子电池具有比能量逡逑大、工作电压高、循环寿命长、自放电低、无记忆和绿色环保等优点而备受人们的青逡逑睐。锂离子电池广泛应用于计算机、手机等便携式移动设备，也是下一代充电式混合逡逑动力车和电动车的理想之选［８】。逡逑灥类逡逑ｓｉｆ夬逦Ｌ逡逑ｎｍｎｍ逡逑ｊＭＭ逡逑伽储能食ｌ逡逑２ＳＷ邋＼邋技木逦ｉ逡逑．＾邋热储能逡逑电化学类逦＇一ｉ逡逑１邋＾相娜和触逡逑图１－１储能技术的分类逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ逡逑１逡逑

们纷纷致力于新一代商用锂离子电池及相关材料的研宄。逡逑１．２．１锂离子电池的工作原理逡逑图１－２为锂离子电池的充放电原理图，锂离子电池主要是由正极、负极和电解质逡逑构成，正极材料通常采用金属氧化物（钴酸锂，锰酸锂和磷酸铁锂等）［１２“５］，负极材逡逑料一般采用石墨等［１６—１９】，电解质材料一般采用含有锂盐的有机碳酸酯［２Ｇ＿２４］。当锂离子逡逑电池进行充电时，电池的正极产生锂离子，锂离子经过电解质运动到负极，负极一般逡逑为层状结构的碳材料，并且具有很多的微孔，锂离子到达负极会嵌入碳材料的微孔之＇逡逑中，嵌入的锂离子数量越多，充电的容量就会越高。放电时，锂离子从负极中脱出，逡逑通过电解质回到正极，，回到正极的锂离子数量越多则放电的容量越高，通常所说的电逡逑池容量一般指放电容量。逡逑＾邋＼邋／邋ｅ－—逡逑？邋￣＠逡逑＿邋１枈ｉ逡逑（Ｕ！邋ｍｉ逡逑Ａｎｏｄｅ逦Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ逦Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑（ｇｒａｐｈｉｔｅ）逦（ＬｉＣｏ０２）逡逑、逦逦逦逦逦逦－邋逦逦逦Ｊ逡逑图１－２锂离子电池充放电工作原理图逡逑Ｆｉｇ．邋１－
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘丽露;戚兴国;邵元骏;潘都;白莹;胡勇胜;李泓;陈立泉;;钠离子固体电解质材料研究进展[J];储能科学与技术;2017年05期

2 史明;周会珠;戴磊;李跃华;王岭;;阳离子固体电解质的研究进展[J];唐山师范学院学报;2016年02期

3 张硕;;传说中的2016电池技术突破[J];经营者(汽车商业评论);2017年01期

4 周矗;李合琴;乔恺;张静;唐琼;;锂离子固体电解质的研究进展与产业化现状[J];新材料产业;2014年03期

5 王红勤;王太斌;杨健;冯涛;夏金峰;杨修春;;表面粗糙度对氧化锆固体电解质电性能的影响[J];中国陶瓷;2013年02期

6 陈梅;;日本开发出高电导率固体电解质材料[J];电源技术;2011年10期

7 王海霞,蒋凯,郑立庆,杨林,孟健,任玉芳,苏锵;掺杂镓酸镧基固体电解质的研究进展[J];中国稀土学报;2003年06期

8 宁宏;有机固体电解质铝电解电容器[J];电子质量;2001年06期

9 赵莹歆,刘昌炎;一种新型固体电解质的导电性的研究[J];电化学;1999年01期

10 黄克勤，夏玉华，吴卫江，刘庆国;用于测定钢液低氧含量的双层固体电解质研究[J];硅酸盐学报;1994年02期

相关会议论文 前10条

1 许晓雄;姚霞银;陈少杰;刘高瞻;姚丽丽;;高电导硫化物固体电解质材料及应用研究[A];2017年锂硫电池前沿学术研讨会论文摘要文集[C];2017年

2 王岭;;固体电解质基高温电化学气体传感器[A];中国硅酸盐学会固态离子学分会理事会暨第一届固态离子学青年学术交流会文集[C];2011年

3 邱志军;陈万超;陈晓添;许晓雄;;全固态锂电池用硫化物固体电解质[A];中国固态离子学暨电池材料青年学术论坛——论文摘要集[C];2013年

4 赵芳;龚江宏;李英;;ZrO_2-CaF_2-Y_2O_3系固体电解质材料研究[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年

5 杨固长;崔益秀;;锂离子无机固体电解质及在电池中的应用[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

6 郭向欣;赵宁;李忆秋;;固体电解质与固态二次锂电池[A];第三届全国储能科学与技术大会摘要集[C];2016年

7 张隆;杨坤;;高性能硫族化物固体电解质的制备与性能研究[A];第31届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2015年

8 查少武;高建峰;陈西林;彭定坤;孟广耀;;镓酸镧基固体电解质的凝胶浇注法制备及其电化学性能研究[A];2000年材料科学与工程新进展（上）——2000年中国材料研讨会论文集[C];2000年

9 王世伟;马建丽;;显微结构对氧化锆固体电解质氧敏性能的影响[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年

10 刘兴江;吴学领;王春花;宗海;桑林;;采用固体电解质的锂电池[A];第31届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2015年

相关重要报纸文章 前1条

1 记者 毛黎;美首次开发出纳米固体电解质[N];科技日报;2013年

相关博士学位论文 前10条

1 凌仕刚;固体电解质及固态锂电池基础与应用研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年

2 贺明辉;石榴石型固体电解质的性能优化及其固态电池界面改性研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2018年

3 陈骋;基于石榴石型固体电解质的全固态薄膜锂电池研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2018年

4 严旭丰;超薄锂镧锆氧固体电解质薄膜的制备与应用[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2018年

5 吴木生;固体电解质材料Li_3OCl的基本物理特性及离子输运动力学研究[D];江西师范大学;2018年

6 刘丽露;钠离子固体电解质及固态钠电池研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2018年

7 孟庆森;固体电解质陶瓷（玻璃）与金属的场致扩散连接结合机理研究[D];西安交通大学;2002年

8 韩元山;LaF_3固体电解质的制备及在气体传感器上的应用[D];东北大学;2004年

9 刘大凡;新型含氟磺酰亚胺锂盐聚合物固体电解质研究[D];华中科技大学;2005年

10 梁广川;燃料电池中温固体电解质材料研究[D];天津大学;2000年

相关硕士学位论文 前10条

1 吴金泽;固体电解质界面及相结构的核磁共振研究[D];华东师范大学;2018年

2 张光明;Li_7La_3Zr_2O_(12)型固态电解质的制备及空气稳定性研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

3 董立山;Fe-Al-O熔体中氧元素迁移的电化学研究[D];辽宁科技大学;2018年

4 史茂雷;助熔剂B_2O_3增强型LATP固体电解质的制备和性能研究[D];河北大学;2018年

5 胡智超;新型锂离子陶瓷电解质的制备及其相关应用研究[D];华南理工大学;2018年

6 刘明珠;锂电池用新型聚硅氧烷基固体电解质的制备及其性能研究[D];浙江大学;2018年

7 胡书乔;石榴石型固体电解质的制备、结构与电化学性能研究[D];北京化工大学;2018年

8 杨甜甜;锑系双掺杂石榴石型锆酸镧锂固体电解质的制备及性能研究[D];内蒙古工业大学;2018年

9 杨浩;有机体系锂氧电池固体电解质的制备与性能研究[D];天津工业大学;2017年

10 徐唱;NASICON型LiM_2(PO_4)_3(M=Zr/Hf)固体电解质的制备与性能研究[D];江西理工大学;2018年

本文编号：2590212