全固態(tài)鋰離子電池固體電解質(zhì)及正極材料的制備及表征.pdf

1、鋰離子電池由于其較高的能量密度，環(huán)境污染相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在便攜式的電源設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)和大型儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域中。然而傳統(tǒng)的鋰離子電池由于含有液態(tài)有機(jī)電解液而有可能發(fā)生漏液、起火甚至爆炸等安全隱患，并且有機(jī)電解液還存在著自身電化學(xué)窗口較窄、易分解和工作溫度受限等問(wèn)題。近些年來(lái)，具有較長(zhǎng)壽命、安全性能較高、不含有任何液態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池頗受研究者們的關(guān)注。雖然全固態(tài)離子電池具有較多優(yōu)點(diǎn)，然而在全固態(tài)鋰離子電池的制備過(guò)程中還存在較多問(wèn)

2、題，其中關(guān)鍵在于:
　　1）制備出具有較高的鋰離子電導(dǎo)率的固體電解質(zhì)材料;
　　2）選擇合適的電極材料，解決固體電解質(zhì)與電極材料界面的融合問(wèn)題。所以現(xiàn)有的研究者開(kāi)始著重于合成不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型具有較高離子導(dǎo)電率的固體電解質(zhì)的研究，并且希望能使其與電極材料進(jìn)行匹配。本論文主要從固體電解質(zhì)和電極材料的制備及改性進(jìn)行研究。
　　在第一章中，論文簡(jiǎn)要介紹了傳統(tǒng)鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池的工作原理及研究進(jìn)展，對(duì)全固態(tài)離子電池的幾種常

3、見(jiàn)類(lèi)型的固體電解質(zhì)及電極材料進(jìn)行了概述，重點(diǎn)介紹了固體電解質(zhì)對(duì)全固態(tài)離子電池制備的重要性。
　　在第二章中，簡(jiǎn)要介紹了本論文中所用的實(shí)驗(yàn)藥品，實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并主要介紹了本論文用到的材料表征方法及扣式電池組裝、測(cè)試方法。
　　在第三章中，我們首次采用丙烯酸熱聚合的方法來(lái)制備Li7La3Zr2O12的前驅(qū)粉體。與傳統(tǒng)的固相法相比，丙烯酸熱聚合方法能使原料各組分在溶液中達(dá)到原子級(jí)別的混合，使制備的產(chǎn)物更均勻，并一定程度上降低了Li7L

4、a3Zr2O12的燒結(jié)溫度，縮短了燒結(jié)時(shí)間。最終在1150℃溫度下燒結(jié)12小時(shí)得到了立方石榴石相的Li7La3Zr2O12，其在室溫下鋰離子電導(dǎo)率可以達(dá)到1.73×10-4 S cm-1。
　　在第四章中，作者通過(guò)傳統(tǒng)的固相法對(duì)Li3NbO4進(jìn)行元素?fù)诫s，希望通過(guò)高價(jià)元素的摻雜取代，引入更多的鋰空位，從而提高其鋰離子電導(dǎo)率。在本部分實(shí)驗(yàn)中我們共選取了Mg，Al，Ca，Sr和Ba五種元素進(jìn)行摻雜，并重復(fù)了驗(yàn)證了Victiria L.

5、McLaren的Ni摻雜工作。在本章內(nèi)容中我們對(duì)Mg，Al做了不同含量的元素?fù)诫s，而對(duì)于Ca，Sr，Ni和Ba四種元素根據(jù)前者的研究結(jié)果選取了定量摻雜，最終制備出鋰離子電導(dǎo)率有所提高的Li28NbMg0.1O4和Li2.8NbCa0.1O4，其中較優(yōu)的樣品Li2.8NbMg0.1O4在300℃總鋰離子電導(dǎo)率可以達(dá)到1.2×10-5 S cm-1，500℃時(shí)可以達(dá)到1.6×10-3S cm-1。
　　在第五章中，作者利用丙烯酸熱聚合

6、方法在氧氣氣氛下燒結(jié)制備出了顆粒均一的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，通過(guò)空氣和氧氣的不同燒結(jié)氣氛，發(fā)現(xiàn)在氧氣氣氛燒結(jié)有助于減少材料的鋰鎳混排。通過(guò)對(duì)燒結(jié)溫度的考察，最終確定出了制備LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的最優(yōu)條件為在氧氣氣氛下900℃燒結(jié)12小時(shí)，其在0.1C倍率下首次放電容量可以達(dá)到200 mAh g-1，100次循環(huán)之后容量保持率可以達(dá)到83％，10C倍率下放電比容量可以達(dá)到76 mAh g-1。
　

7、　在第六章中，作者從增強(qiáng)鍵能、增大材料晶胞參數(shù)、提高材料穩(wěn)定性的角度考慮，選擇了離子半徑較大的Zr4+和Ti4+摻雜取代Mn4+，并考察了不同摻雜量對(duì)LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的材料結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，微量的Zr4+和Ti4+可以顯著地改善LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。其中LiNi0.5Co0.2Mn0.29Zr0.01 O2的樣品表現(xiàn)出最優(yōu)的電化學(xué)性能，室溫下以0.2C一百次循環(huán)

8、之后其容量保持率可以達(dá)到93.92％，在10C的倍率下放電，其放電比容量可以達(dá)到129 mAh g-1。而Ti摻雜的最優(yōu)樣品LiNi0.5Co0.2Mn0.29Ti0.01O2在0.5C倍率下循環(huán)其容量保持率可以達(dá)到86.88％，以10C的倍率放電時(shí)其放電比容量可以達(dá)到116mAh g-1。
　　在第七章中，作者通過(guò)丙烯酸熱聚合方法對(duì)LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2又做了二價(jià)離子Mg2+和三價(jià)離子Fe3+和Cr3+的摻雜研究

9、，制備出了不同摻雜量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3-xMgxO2, LiNi0.5Co0.2Mn0.3-xFexO2和LiNi0.5Co0.2Mn0.3-xCrxO2(x=0,0.01，0.025，0.05，0.1)進(jìn)行電化學(xué)性能的表征。結(jié)果表明，少量的Mg2+和Fe3+摻雜可以一定程度地改善LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料的循環(huán)穩(wěn)定性。而Cr3+元素的摻雜則會(huì)引入雜相LiCrO4，對(duì)LiNi0.5Co0.2Mn0.3O