NASICON型固态锂离子导体的制备与掺杂改性的研究
发布时间：2020-07-22 22:43
【摘要】：具有NASICON结构的固态锂离子导体Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_4)_3有着机械强度大、水热稳定性好、离子电导率高、原料易得的优势,有望用于下一代具有高能量密度的储能设备-全固态锂离子电池中。本文通过多种平行试验和对比实验,并通过多项技术表征系统地研究了固态锂离子导体LATP的制备工艺与改性手段。首先,分别以固相法、溶胶凝胶法、溶液法和水热合成法四种工艺合成了LATP锂离子导体。通过致密度测试、XRD测试、交流阻抗和直流伏安测试研究了不同制备工艺对LATP锂离子导体电化学性能的影响,发现水热法合成的LATP电化学性能最好。其次,保持制备工艺不变,分别以NH_4H_2PO_4和H_3PO_4为P源制备LATP锂离子导体。通过致密度测试、XRD测试、粒度分布测试、交流阻抗测试、离子活化能测试等分别研究了不同P源对LATP的前驱体溶液、水热合成产物、前驱体粉末以及烧结片性能的影响。结果表明H_3PO_4更容易与其余原料发生反应,制备的LATP锂离子导体性能更好,经900℃烧结6小时的样品具有最高的离子电导率为4.33×10~(-4) S/cm。随后,首次将介孔SBA-15掺杂入LATP锂离子导体中。通过固相法和溶胶凝胶法分别合成了掺有不同百分比的介孔SBA-15的LATP锂离子导体。通过密度测试、XRD、SEM、TEM、交流阻抗等研究了不同掺杂量的SBA-15对LATP电化学性能的影响。两种制备工艺的实验结果均表明,适当的掺杂量的SBA-15可以改善晶粒尺寸,提高总电导率并降低活化能,并且发现两种方法的最佳掺杂量均为3wt%。其总离子电导率分别为2.83×10~(-4) S/cm和4.42×10~(-4) S/cm,是未掺杂的两倍左右,总离子电导率的提高主要来源于晶界电导率的提高。最后以溶胶-凝胶法做了LATP锂离子导体掺杂SiO_2的对比实验以深入分析介孔SBA-15对LATP的掺杂机理,结果表明SBA-15对LATP的掺杂使其电导率提高的主要原因是SBA-15规则的孔道结构对晶粒的纳米限定作用。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：
2 全固态锂离子电池锂离子电池从结构上可以简单分为正极材料、负极材料和电解质三个部材料全部采用固态材料设计的锂电池为全固态锂离子电池[6,7]。目前，锂池常见的正极材料有钴酸锂（LiCoO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）、三元锂等材料的研究与技术已较为成熟；负极材料多使用可嵌入锂离子的石墨，目锂离子电池负极材料也在不断开发中，如硅负极材料，锂金属材料、钛Li4Ti5O12）等负极材料[8-10]。锂离子电池的工作原理如图 1 所示，放电时氧化反应，从阳极通过电介质转移到阴极，存储在阴极的多孔结构中，充电电场的作用下，锂离子从阴极又转移到阳极，在石墨层中被还原成锂。正料决定着锂离子电池的能量密度，但锂离子电解质的研发也是提升锂离子能的关键因素。传统的锂离子电池的电解质为电解液，因过度充电、内部异常时电解液会发热，有自燃甚至爆炸的危险。除了安全问题以外，其工范围较窄、很多情况下不适用，锂离子迁移数较低，电解液容易与负极材反应，影响电池性能[11]。
华北电力大学硕士学位论文机晶态电解质质在组成成分上可以分为氧化物电解质（如锂离子电解质）和硫化物电解质（如 Li2S-P2S于氧对锂的束缚作用较弱，因此硫化物电解S/cm 以上）。然而硫化物电解质在水和空气不稳定，在较大电流通过时仍有被锂晶枝刺1-23]。因此，在安全性能，机械性能和制备工势。以下介绍几种主要的氧化物电解质。
相的 LLZO 通常比四方相的锂离子电导率要高出两O 的晶体结构[28,29]。立方结构的 LLZO 实际上是一种锂离子无序存在的O 是稳定相，因此许多研究致力于将立方 LLZO 于稳究表明 Al 对 Li 的替代可以使立方 LLZO 在室温下Cr3+也有类似的作用[30,31]。实际上此类物质的掺杂一，促进四方相向立方相的转化，另一方面在 LLZO 陶有着类似烧结助剂的作用，使电解质更加致密化。，可以降低锂离子浓度，理论上也会增加更多的锂 既是一种非常稳定的元素，而且对 Zr 的取代也不会和任耀宇[33]等分别用固相法制备出来 Li6.75La3Zr1.75子电导率分别为 8.70×10-4S/cm 和 9.28×10-4S/cm。电导率高，而且对 Li 金属性质稳定，被认为是制备前在组装全固态锂电池的研究中得到广泛的应用。然是，制备出具有高电导率的导体较为困难，对水分
本文编号：2766466
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：
2 全固态锂离子电池锂离子电池从结构上可以简单分为正极材料、负极材料和电解质三个部材料全部采用固态材料设计的锂电池为全固态锂离子电池[6,7]。目前，锂池常见的正极材料有钴酸锂（LiCoO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）、三元锂等材料的研究与技术已较为成熟；负极材料多使用可嵌入锂离子的石墨，目锂离子电池负极材料也在不断开发中，如硅负极材料，锂金属材料、钛Li4Ti5O12）等负极材料[8-10]。锂离子电池的工作原理如图 1 所示，放电时氧化反应，从阳极通过电介质转移到阴极，存储在阴极的多孔结构中，充电电场的作用下，锂离子从阴极又转移到阳极，在石墨层中被还原成锂。正料决定着锂离子电池的能量密度，但锂离子电解质的研发也是提升锂离子能的关键因素。传统的锂离子电池的电解质为电解液，因过度充电、内部异常时电解液会发热，有自燃甚至爆炸的危险。除了安全问题以外，其工范围较窄、很多情况下不适用，锂离子迁移数较低，电解液容易与负极材反应，影响电池性能[11]。
华北电力大学硕士学位论文机晶态电解质质在组成成分上可以分为氧化物电解质（如锂离子电解质）和硫化物电解质（如 Li2S-P2S于氧对锂的束缚作用较弱，因此硫化物电解S/cm 以上）。然而硫化物电解质在水和空气不稳定，在较大电流通过时仍有被锂晶枝刺1-23]。因此，在安全性能，机械性能和制备工势。以下介绍几种主要的氧化物电解质。
相的 LLZO 通常比四方相的锂离子电导率要高出两O 的晶体结构[28,29]。立方结构的 LLZO 实际上是一种锂离子无序存在的O 是稳定相，因此许多研究致力于将立方 LLZO 于稳究表明 Al 对 Li 的替代可以使立方 LLZO 在室温下Cr3+也有类似的作用[30,31]。实际上此类物质的掺杂一，促进四方相向立方相的转化，另一方面在 LLZO 陶有着类似烧结助剂的作用，使电解质更加致密化。，可以降低锂离子浓度，理论上也会增加更多的锂 既是一种非常稳定的元素，而且对 Zr 的取代也不会和任耀宇[33]等分别用固相法制备出来 Li6.75La3Zr1.75子电导率分别为 8.70×10-4S/cm 和 9.28×10-4S/cm。电导率高，而且对 Li 金属性质稳定，被认为是制备前在组装全固态锂电池的研究中得到广泛的应用。然是，制备出具有高电导率的导体较为困难，对水分
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 刘君;盘毅;郑春满;;液相法制备锂离子电池用钛酸锂负极材料的研究进展[J];材料导报;2012年03期
2 庄全超;徐守冬;邱祥云;崔永丽;方亮;孙世刚;;锂离子电池的电化学阻抗谱分析[J];化学进展;2010年06期
3 南策文;含分散第二相的离子导体导电理论[J];物理学报;1987年02期
4 陈立泉,赵宗源,王刚,李子荣;分散的第二相粒子对LiCl电导率的影响[J];科学通报;1981年02期
本文编号：2766466
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/2766466.html
教材专著
