本文關(guān)鍵詞：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

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【摘要】：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題。近些年來,具有較長壽命、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程中還存在較多問題,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題。所以現(xiàn)有的研究者開始著重于合成不同結(jié)構(gòu)類型具有較高離子導(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)離子電池的幾種常見類型的固體電解質(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、測試方法。在第三章中,我們首次采用丙烯酸熱聚合的方法來制備Li_7La_3Zr_2O_(12)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Li_7La_3Zr_2O_(12)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Li_7La_3Zr_2O_(12),其在室溫下鋰離子電導(dǎo)率可以達(dá)到1.73×104 S cm-1。在第四章中,作者通過傳統(tǒng)的固相法對(duì)Li_3NbO_4進(jìn)行元素?fù)诫s,希望通過高價(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. 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Li_(2.8)NbMg_(0.1)O_4和Li_(2.8)NbCa_(0.1)O_4,其中較優(yōu)的樣品Li_(2.8)NbMg_(0.1)O_4在300℃總鋰離子電導(dǎo)率可以達(dá)到1.2x10-5 S cm-1,500℃時(shí)可以達(dá)到1.6x10-3 S cm-1。在第五章中,作者利用丙烯酸熱聚合方法在氧氣氣氛下燒結(jié)制備出了顆粒均一的LiNi_(0.5)Co_(0.)2Mn_(0.3)O_2,通過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)減少材料的鋰鎳混排。通過對(duì)燒結(jié)溫度的考察,最終確定出了制備5Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2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%,10C倍率下放電比容量可以達(dá)到76 mAh g-1。在第入章中,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Zr~(4+)和Ti~(4+)摻雜取代Mn~(4+),并考察了不同摻雜量對(duì)LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2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LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。其中LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.29)Zr_(0.01)O_2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)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LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.29)Ti_(0.01)O_2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116mAhg-1。在第七章中,作者通過丙烯酸熱聚合方法對(duì)LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2又做了二價(jià)離子Mg~(2+)和三價(jià)離子Fe~(3+)和Cr~(3+)的摻雜研究,制備出了不同摻雜量的LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Mg_xO_2,LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Fe_xO_2和LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Cr)xO)2 (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LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2材料的循環(huán)穩(wěn)定性。而Cr3+元素的摻雜則會(huì)引入雜相LiCrO_4,對(duì)LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的電化學(xué)性能有負(fù)作用。在本章所有的摻雜樣品中,LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.29)Mg_(0.01)O_2表現(xiàn)出最優(yōu)的電化學(xué)性能,室溫下以0.5C的倍率循環(huán)一百次后其容量保持率可以達(dá)到85.30%,并且在10C的倍率下放電,其放電比容量可以達(dá)到112mAh g-1。第八章主要是對(duì)本論文中的創(chuàng)新和不足之處進(jìn)行了一些總結(jié),并對(duì)未來研究工作進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 固體電解質(zhì) 摻雜 陽離子混排 循環(huán)性能 倍率性能
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM912;O611.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 緒論14-32
• 1.1 引言14
• 1.2 鋰離子電池簡述14-22
• 1.2.1 鋰離子電池的工作原理14-15
• 1.2.2 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成15
• 1.2.3 鋰離子電池關(guān)鍵材料概述15-22
• 1.2.3.1 正極材料15-20
• 1.2.3.2 負(fù)極材料20-21
• 1.2.3.3 電解質(zhì)材料21-22
• 1.2.3.4 隔離膜材料22
• 1.3 全固態(tài)鋰離子電池簡述22-26
• 1.3.1 全固態(tài)鋰離子電池的工作原理22
• 1.3.2 全固態(tài)鋰離子電池的關(guān)鍵材料概述22-25
• 1.3.2.1 固體電解質(zhì)簡述23-25
• 1.3.2.2 全固態(tài)鋰離子電池的電極材料簡述25
• 1.3.3 全固態(tài)鋰離子電池所面臨的挑戰(zhàn)和解決辦法25-26
• 1.4 本論文的選題背景和研究內(nèi)容26-28
• 參考文獻(xiàn)28-32
• 第二章 實(shí)驗(yàn)儀器與方法32-42
• 2.1 實(shí)驗(yàn)主要藥品32-33
• 2.2 實(shí)驗(yàn)所用的主要實(shí)驗(yàn)方法及儀器33-42
• 2.2.1 材料合成與制備33-34
• 2.2.2 固體電解質(zhì)的制備流程34-35
• 2.2.3 材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征35-38
• 2.2.3.1 X射線衍射分析儀(XRD)35-36
• 2.2.3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)36-37
• 2.2.3.3 熱重/差熱分析儀37
• 2.2.3.4 密度測試37-38
• 2.2.4 電極的制備和電池的組裝38-39
• 2.2.4.1 電極制備38
• 2.2.4.2 電池的組裝38-39
• 2.2.5 電化學(xué)性能表征39-42
• 2.2.5.1 固體電解質(zhì)電導(dǎo)率的測定39-40
• 2.2.5.2 固體電解質(zhì)電化學(xué)窗口的測定40
• 2.2.5.3 扣式電池的充放電測試40
• 2.2.5.4 扣式電池的交流阻抗測試40-42
• 第三章 Li_7La_3Zr_2O_(12)固體電解質(zhì)的制備及其性能表征42-52
• 3.1 引言42-43
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分43
• 3.2.1 丙烯酸熱聚合法制備Li_7La_3Zr_2O_(12)43
• 3.2.2 電解質(zhì)各項(xiàng)性能測試43
• 3.3 結(jié)果與討論43-48
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)表征與分析43-46
• 3.3.2 電化學(xué)性能分析46-48
• 3.4 本章小結(jié)48-49
• 參考文獻(xiàn)49-52
• 第四章 Li_3NbO_4固體電解質(zhì)的制備及其性能表征52-64
• 4.1 引言52
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分52-54
• 4.2.1 固相法制備Li_3NbO_4及摻雜量的確定52-54
• 4.2.2 電解質(zhì)各性能測試54
• 4.3 結(jié)果與討論54-62
• 4.3.1 結(jié)構(gòu)表征與分析54-56
• 4.3.2 電化學(xué)性能分析56-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 參考文獻(xiàn)63-64
• 第五章 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2三元電極材料的制備及性能表征64-74
• 5.1 引言64-65
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分65-66
• 5.2.1 丙烯酸熱聚合方法制備LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_265
• 5.2.2 結(jié)構(gòu)表征65
• 5.2.3 電池的組裝及電化學(xué)性能表征65-66
• 5.3 結(jié)果與討論66-71
• 5.3.1 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2的結(jié)構(gòu)分析和表征66-67
• 5.3.2 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2電化學(xué)性能表征67-71
• 5.4 本章小結(jié)71-72
• 參考文獻(xiàn)72-74
• 第六章 三元材料LiNi_(0.5)CO_(0.2)Mn_(0.3-x)M_xO_2的四價(jià)元素(M=Zr~(4+)、Ti~(4+))的摻雜改性研究74-90
• 6.1 引言74
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分74-75
• 6.2.1 丙烯酸熱聚合方法制備LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)M_xO_2(M=Zr~(4+)、Ti~(4+))74-75
• 6.2.2 結(jié)構(gòu)表征75
• 6.2.3 電池的組裝及電化學(xué)性能表征75
• 6.3 結(jié)果與討論75-86
• 6.3.1 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Zr_xO_2的性能表征75-81
• 6.3.1.1 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Zr_xO_2的結(jié)構(gòu)分析和表征75-77
• 6.3.1.2 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Zr_xO_2電化學(xué)性能表征77-81
• 6.3.2 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Zr_xO_2的性能測試81-86
• 6.3.2.1 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Zr_xO_2的結(jié)構(gòu)分析和表征81-83
• 6.3.2.2 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)Zr_xO_2電化學(xué)性能表征83-86
• 6.4 本章小結(jié)86-88
• 參考文獻(xiàn)88-90
• 第七章 三元材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)M_xO_2的二價(jià)元素和三價(jià)(M=Mg~(2+)、Fe~(3+)、Cr~(3+))的摻雜改性研究90-102
• 7.1 引言90
• 7.2 實(shí)驗(yàn)部分90-91
• 7.2.1 制備LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)M_xO_290-91
• 7.2.2 結(jié)構(gòu)表征91
• 7.2.3 電池的組裝及電化學(xué)性能表征91
• 7.3 結(jié)果與討論91-99
• 7.3.1 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)M_xO_2(M=Mg,Fe和Cr)的結(jié)構(gòu)分析和表征91-95
• 7.3.2 LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3-x)M_xO_2(M=Mg,Fe和Cr)的電化學(xué)性能表征95-99
• 7.4 本章小結(jié)99-100
• 參考文獻(xiàn)100-102
• 第八章 論文總述與未來工作展望102-104
• 8.1 本論文的創(chuàng)新之處102
• 8.2 本論文的不足之處102
• 8.3 未來工作展望102-104
• 致謝104-106
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果106

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