基于固体电解质LATP制备全固体超级电容器的研究
发布时间：2020-07-08 02:54
【摘要】：能源短缺与环境污染问题是人类进入新世纪后的两大挑战,新型储能设备成为各国研究的重点。然而,为了保证电解质的离子电导率,商业化的储能设备普遍采用液体电解质,使得储能设备存在电解液泄露以及爆炸等隐患,而采用固体电解质替代液体电解质可以有效解决此类问题。超级电容器以其高容量、高功率密度、长寿命等优点被广泛关注,基于固体电解质的全固体超级电容器具有很大应用前景。本文采用固相反应法一步合成Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)P_3O_(12)(LATP)固体电解质,通过添加助烧剂提高其各项性能,并设计出碳填充三维连通电极结构获得层状结构全固体超级电容器,并对其结构、性能等进行研究。主要内容如下:采用固相反应法合成单相LATP固体电解质,通过采用聚磷酸铵(APP)替代NH_4H_2PO_4作为PO_4前驱体,一步合成反应产物,避免传统合成方法繁琐的实验过程;添加助烧剂LiMnPO_4(LMP)改善LATP陶瓷的烧结特性、力学特性和化学稳定性等,且反应动力学结果显示高温下LATP与LMP化学兼容。在助烧剂添加量为2%,烧结温度为825°C时,密度达到了最大,同时,其维氏硬度也达到最大的473 HV,离子电导率也同时获得最高值(4.9×10~(-4) S cm~(-1))。通过电化学阻抗和循环伏安测试,对单层致密电解质的等效电路进行了分析,拟合结果与实验结果一致,结果表明电解质/电极界面存在着典型的双电层界面电容行为,有望用于制备超级电容器。设计并制备了碳填充多孔电解质/致密电解质/碳填充多孔电解质的三明治结构全固体超级电容器,并进行了电化学性能测试。通过将添加助烧剂的LATP粉和未添加助烧剂的LATP粉压在一起烧结,获得了多孔/致密层状陶瓷;通过在多孔陶瓷内填充聚酰亚胺溶液,并真空热处理,获得了碳填充多孔电解质;压汞仪分析证明了碳填充多孔陶瓷后,平均孔径下降、孔隙率下降,表明碳获得了有效的填充,但填充率仍有很大的改善空间。层状超级电容器在2 mV s~(-1)下具有较大的面积比电容:0.13 F cm~(-2),且经过600次循环后,容量仍剩余91%。将来工作中仍需要合理的设计孔结构分布,提高碳填充率,改善电极与固体电解质接触,以提高电容器的容量以及放电倍率特性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53
【图文】：
图 1-1 SOFC 的组成及工作原理图Fig. 1-1 The composition and working principle of SOFC.固体氧化物燃料电池经过 20 多年的发展，已经在各个领域，包括家用备用电式电池，都有不错的应用[26]。作为固定电源，燃料电池已为 2500 个医院、学等提供可靠的备用电源，即可连接电网，又可成为独立的电池使用[27,28]；作为工具的动力电池，燃料电池为各种汽车、飞机、轮船等提供强大的动力支撑移动电源，燃料电池可为电网连接不到的人烟稀少的地方提供电力[31]；作为微燃料电池也可以当做手机或者笔记本的电源使用[32]。固体氧化物燃料电池作为新型全固体储能器件，具备以下优点：1、具备全固体结构的 SOFC 可以避免液体电解质在使用过程中的泄露以及短隐患；2、燃料适应性广，在燃料选择方面，SOFC 由于是氧离子传递的，可以使用氢氧化碳等可燃性气体为原料，在杂质敏感程度方面相对较弱[33]；
图 1-2 固体锂离子电池原理图[44]Fig. 1-2 Solid state lithium ion battery schematic[44].最早的基于锂离子电解质的全固体薄膜电池是日本日立公司开发的[45]。该电池称为“全固体薄膜电池”，包含了一个 TiS2阴极、一个金属锂阳极和一个采用技术制备的 Li3.6Si0.6P0.4O4电解质。但是这种电池在当时没有发展成商业化，也的大型电子设备供其应用。日本的 NTT 公司也是采用射频溅射技术，通过0.6Si0.4O4制备了更加先进的全固体薄膜电池[46]。贝尔实验室采用硫化物S7和 Li3PO4-P2S5作为固体电解质发明了固体电池。后来，Baba[47]等人采用射方法制备了摇椅型的全固体薄膜电池，其电解质采用 LiPON，阳极是 LixV2O LiMn2O4。同时，他们也尝试了不采用锂金属作为阳极，如采用 V2O5为阳极容量达到 10 μAh cm-2的固体电池[48]。而在对固体薄膜电池结构的设计方面，B也做过许多尝试，他们在不锈钢衬底上，采用射频磁控溅射的方法，分别沉2O4/Li3PO4/V2O5三层材料，紧接着在隔着一层不锈钢的情况下，沉积同样三
图 1-3 叠层式全固体锂离子电池结构图[48]Fig. 1-3 Schematic diagram of stacked solid-state lithium-ion battery structure[48]..2.2.3 聚合物电解质全固体电池对于聚合物电解质全固体电池的研究，人们也投入了大量的精力。聚合物电解质史，起源于 Wright[50]等人对聚氧化乙烯(PEO)碱金属盐电导率的报道。PEO 自从被固体电解质后，就被广泛使用。最常用的固体电解质系统是 PEO 和聚环氧丙烷与复合物。PEO 的流行要归功于乙烯与锂盐形成复合物的简易程度。聚合物电解质有优点，如加强了安全性和稳定性，且不易自发电[51,52]。Appetecchi[53]等人研究了含锂基固体电解质纳米复合材料的性能，并发现了 PEO电解质在电导率上有很大的优势，可以在全固体电池上应用。该电解质通过球磨，在 80-100°C 下热压，并采用差示扫描量热法和热重分析法进行表征，结果显示，P化了。电化学测试得到一个 3.45 V 的开路电压。该电池最显著的特点是，在整个放过程中，电压几乎没有改变。在 100°C 时得到最大的电容量，140 mAh g-1。这些数
本文编号：2745997
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53
【图文】：
图 1-1 SOFC 的组成及工作原理图Fig. 1-1 The composition and working principle of SOFC.固体氧化物燃料电池经过 20 多年的发展，已经在各个领域，包括家用备用电式电池，都有不错的应用[26]。作为固定电源，燃料电池已为 2500 个医院、学等提供可靠的备用电源，即可连接电网，又可成为独立的电池使用[27,28]；作为工具的动力电池，燃料电池为各种汽车、飞机、轮船等提供强大的动力支撑移动电源，燃料电池可为电网连接不到的人烟稀少的地方提供电力[31]；作为微燃料电池也可以当做手机或者笔记本的电源使用[32]。固体氧化物燃料电池作为新型全固体储能器件，具备以下优点：1、具备全固体结构的 SOFC 可以避免液体电解质在使用过程中的泄露以及短隐患；2、燃料适应性广，在燃料选择方面，SOFC 由于是氧离子传递的，可以使用氢氧化碳等可燃性气体为原料，在杂质敏感程度方面相对较弱[33]；
图 1-2 固体锂离子电池原理图[44]Fig. 1-2 Solid state lithium ion battery schematic[44].最早的基于锂离子电解质的全固体薄膜电池是日本日立公司开发的[45]。该电池称为“全固体薄膜电池”，包含了一个 TiS2阴极、一个金属锂阳极和一个采用技术制备的 Li3.6Si0.6P0.4O4电解质。但是这种电池在当时没有发展成商业化，也的大型电子设备供其应用。日本的 NTT 公司也是采用射频溅射技术，通过0.6Si0.4O4制备了更加先进的全固体薄膜电池[46]。贝尔实验室采用硫化物S7和 Li3PO4-P2S5作为固体电解质发明了固体电池。后来，Baba[47]等人采用射方法制备了摇椅型的全固体薄膜电池，其电解质采用 LiPON，阳极是 LixV2O LiMn2O4。同时，他们也尝试了不采用锂金属作为阳极，如采用 V2O5为阳极容量达到 10 μAh cm-2的固体电池[48]。而在对固体薄膜电池结构的设计方面，B也做过许多尝试，他们在不锈钢衬底上，采用射频磁控溅射的方法，分别沉2O4/Li3PO4/V2O5三层材料，紧接着在隔着一层不锈钢的情况下，沉积同样三
图 1-3 叠层式全固体锂离子电池结构图[48]Fig. 1-3 Schematic diagram of stacked solid-state lithium-ion battery structure[48]..2.2.3 聚合物电解质全固体电池对于聚合物电解质全固体电池的研究，人们也投入了大量的精力。聚合物电解质史，起源于 Wright[50]等人对聚氧化乙烯(PEO)碱金属盐电导率的报道。PEO 自从被固体电解质后，就被广泛使用。最常用的固体电解质系统是 PEO 和聚环氧丙烷与复合物。PEO 的流行要归功于乙烯与锂盐形成复合物的简易程度。聚合物电解质有优点，如加强了安全性和稳定性，且不易自发电[51,52]。Appetecchi[53]等人研究了含锂基固体电解质纳米复合材料的性能，并发现了 PEO电解质在电导率上有很大的优势，可以在全固体电池上应用。该电解质通过球磨，在 80-100°C 下热压，并采用差示扫描量热法和热重分析法进行表征，结果显示，P化了。电化学测试得到一个 3.45 V 的开路电压。该电池最显著的特点是，在整个放过程中，电压几乎没有改变。在 100°C 时得到最大的电容量，140 mAh g-1。这些数
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 胡毅;陈轩恕;杜砚;尹婷;;超级电容器的应用与发展[J];电力设备;2008年01期
2 钟海云,李荐,戴艳阳,李庆奎;新型能源器件——超级电容器研究发展最新动态[J];电源技术;2001年05期
本文编号：2745997
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2745997.html
教材专著
