氧化物基固态锂离子电池的制备及性能研究
发布时间：2020-07-16 08:20
【摘要】：全固态锂离子电池采用不易燃的固态电解质取代有机液态电解液,可以从源头上解决锂离子电池的安全问题。但是固态锂离子电池的商业化依然面临着很多问题,如电解质层与电极层之间的界面阻抗较大、固态电解质的室温离子导电率较低等。而石榴石结构的Li_(6.75)La_3Zr_(1.75)Ta_(0.25)O_(12)(LLZTO)材料室温离子电导率高达10~(-3) S·cm~(-1),是一种非常有前景的固态电解质材料。本文主要通过制备氧化物-聚合物复合电解质膜以及复合正、负极来组装固态锂离子电池,测试并优化其电化学性能。通过引入缓冲层的方式制备柔性固态锂离子电池并测试其电化学性能。本论文的具体研究工作如下:(1)采用固相合成法制备LLZTO粉末,对材料进行XRD、SEM表征。以PVDF、PVDF-HFP、LiTFSI以及LLZTO为原料制备固态电解质膜,探究PVDF与PVDF-HFP的比例、LLZTO粉体的含量以及温度对固态电解质的离子导电率的影响。实验表明:当PVDF:PVDF-HFP=5:95(wt%),LiTFSI:LLZTO=9:3(wt%)时的固态电解质膜的离子电导率最高为3.29×10~(-4) S·cm~(-1),且其离子电导率随温度的升高而增大。(2)制备NCM523复合正极/有机-无机复合固态电解质膜/石墨复合负极全固态锂离子电池,并研究其电化学性能。实验表明,所制备的固态锂离子电池首次充放电比容量分别为171.53 mA·h/g和123.76 mA·h/g,0.05C充放电循环20圈后放电容量保持率仍有94.01%,容量衰减较小,循环性能较好。对电池制备工艺进行优化后得到的电池首次放电比容量为144.1 mA·h/g,首次放电比容量能达到克容量的96.1%,首次库伦效率为80.8%。(3)制备复合正极/柔性固态电解质/复合负极全固态柔性锂离子电池,实验表明:当固态电解质表面引入PC-PMMA-LiTFSI-LLZTO缓冲层后,电池首次放电比容量达到148.4 mA·h/g,循环30次后电池容量保持率达到94.5%,同时弯折100次后,电池放电容量保持率达到96.6%。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：
固态锂离子电池结构及工作原理的锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜以及电解液四部材料是锂离子电池在充放电过程中锂离子的来源，通常是含锂[10]，如层状结构的LiCoO2、橄榄石结构的LiFePO4、尖晶石结构的锰三元正极材料。负极材料的作用主要是为锂离子的嵌入提供见的负极材料是具有层状结构的石墨。隔膜不仅可以允许锂离子有效的避免正、负极材料直接接触而发生短路，通常是聚乙烯、机聚合物[11]。电解液的作用主要是在正负极之间传导锂离子，一iPF6、LiClO4）溶解在碳酸二甲酯(DimethylCarbonate,DMC)、碳ene Carbonate,EC）等有机溶剂中的方法来制作电解液，因此液态。而全固态锂离子电池主要由正极、负极、固态电解质三部分构解决液态锂离子电池的安全问题。由于固态电解质膜既可以传导电池正、负极直接接触，因此全固态锂离子电池不需要隔膜，在电池的结构。
图 1-2 锂离子电池工作原理图[13]锂离子电池为例，当进行充电时正极材料 Li碳层间，从而在电池内部形成一种锂碳层间化即锂离子从负极的层间脱出，嵌入正极材料：极： 6C+xLi++xe- LixC6极： LiCoO2 xLi++Li1-xCoO2+xe-应： LiCoO2+6C Li1-xCoO2+LixC6子电池的正极材料电池所用的正极材料与传统的锂离子电池所：钴酸锂、磷酸亚铁锂、锰酸锂、三元正极LiCoO2），虽然其为最早商业化的锂离子电池
图 1-3 Li10GeP2S12的晶体结构[36, 47]为了弥补典型的 Li10GeP2S12电解质的缺点，研究者用其他元素替换 Ge 定程度上解决了原有的 Li10GeP2S12电解质存在的问题。Ong 等[48]通过第模拟其他元素替换 Ge 和 S，证明了用 Si、P 等同价元素替换 Ge 后，电相似的离子电导率和化学稳定性；用 O 替换 S 后，材料的电导率和稳定所下降。Philipp Bron 等[49]用 Sn 来取代昂贵的 Ge，很大程度的降低了材，得到电导率高达 0.4 10-2S·cm-1的 Li10SnP2S12，但是这种固态电解质具晶界阻抗。2014 年，Whiteley 等[37]采用相同价态的 Si 代替 Li10GeP2S12得到室温离子电导率约为 2.3 10-3S·cm-1的 Li10SiP2S12，这种电解质与金有良好的兼容性。2016 年，Kato 等[50]开发出一种新型的硫化物晶态电6P2S12,这种电解质对金属锂具有极高的电化学稳定性，室温下离子电导率0-3S·cm-1。采用 Li9.6P2S12作为电解质的全固态陶瓷电池具有较高的首次充，且能量密度比传统锂离子电池高出 2 倍以上。硫化物玻璃电解质是由网络改性体 Li2S 和网络形成体（如 P2S5、SiS2、
本文编号：2757757
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：
固态锂离子电池结构及工作原理的锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜以及电解液四部材料是锂离子电池在充放电过程中锂离子的来源，通常是含锂[10]，如层状结构的LiCoO2、橄榄石结构的LiFePO4、尖晶石结构的锰三元正极材料。负极材料的作用主要是为锂离子的嵌入提供见的负极材料是具有层状结构的石墨。隔膜不仅可以允许锂离子有效的避免正、负极材料直接接触而发生短路，通常是聚乙烯、机聚合物[11]。电解液的作用主要是在正负极之间传导锂离子，一iPF6、LiClO4）溶解在碳酸二甲酯(DimethylCarbonate,DMC)、碳ene Carbonate,EC）等有机溶剂中的方法来制作电解液，因此液态。而全固态锂离子电池主要由正极、负极、固态电解质三部分构解决液态锂离子电池的安全问题。由于固态电解质膜既可以传导电池正、负极直接接触，因此全固态锂离子电池不需要隔膜，在电池的结构。
图 1-2 锂离子电池工作原理图[13]锂离子电池为例，当进行充电时正极材料 Li碳层间，从而在电池内部形成一种锂碳层间化即锂离子从负极的层间脱出，嵌入正极材料：极： 6C+xLi++xe- LixC6极： LiCoO2 xLi++Li1-xCoO2+xe-应： LiCoO2+6C Li1-xCoO2+LixC6子电池的正极材料电池所用的正极材料与传统的锂离子电池所：钴酸锂、磷酸亚铁锂、锰酸锂、三元正极LiCoO2），虽然其为最早商业化的锂离子电池
图 1-3 Li10GeP2S12的晶体结构[36, 47]为了弥补典型的 Li10GeP2S12电解质的缺点，研究者用其他元素替换 Ge 定程度上解决了原有的 Li10GeP2S12电解质存在的问题。Ong 等[48]通过第模拟其他元素替换 Ge 和 S，证明了用 Si、P 等同价元素替换 Ge 后，电相似的离子电导率和化学稳定性；用 O 替换 S 后，材料的电导率和稳定所下降。Philipp Bron 等[49]用 Sn 来取代昂贵的 Ge，很大程度的降低了材，得到电导率高达 0.4 10-2S·cm-1的 Li10SnP2S12，但是这种固态电解质具晶界阻抗。2014 年，Whiteley 等[37]采用相同价态的 Si 代替 Li10GeP2S12得到室温离子电导率约为 2.3 10-3S·cm-1的 Li10SiP2S12，这种电解质与金有良好的兼容性。2016 年，Kato 等[50]开发出一种新型的硫化物晶态电6P2S12,这种电解质对金属锂具有极高的电化学稳定性，室温下离子电导率0-3S·cm-1。采用 Li9.6P2S12作为电解质的全固态陶瓷电池具有较高的首次充，且能量密度比传统锂离子电池高出 2 倍以上。硫化物玻璃电解质是由网络改性体 Li2S 和网络形成体（如 P2S5、SiS2、
【参考文献】
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1 丁平;锂离子电池负极材料天然石墨的改性研究[D];浙江大学;2007年
本文编号：2757757
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