【摘要】：能源短缺與環(huán)境污染問題是人類進(jìn)入新世紀(jì)后的兩大挑戰(zhàn),新型儲(chǔ)能設(shè)備成為各國研究的重點(diǎn)。然而,為了保證電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率,商業(yè)化的儲(chǔ)能設(shè)備普遍采用液體電解質(zhì),使得儲(chǔ)能設(shè)備存在電解液泄露以及爆炸等隱患,而采用固體電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)可以有效解決此類問題。超級(jí)電容器以其高容量、高功率密度、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注,基于固體電解質(zhì)的全固體超級(jí)電容器具有很大應(yīng)用前景。本文采用固相反應(yīng)法一步合成Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)P_3O_(12)(LATP)固體電解質(zhì),通過添加助燒劑提高其各項(xiàng)性能,并設(shè)計(jì)出碳填充三維連通電極結(jié)構(gòu)獲得層狀結(jié)構(gòu)全固體超級(jí)電容器,并對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能等進(jìn)行研究。主要內(nèi)容如下:采用固相反應(yīng)法合成單相LATP固體電解質(zhì),通過采用聚磷酸銨(APP)替代NH_4H_2PO_4作為PO_4前驅(qū)體,一步合成反應(yīng)產(chǎn)物,避免傳統(tǒng)合成方法繁瑣的實(shí)驗(yàn)過程;添加助燒劑LiMnPO_4(LMP)改善LATP陶瓷的燒結(jié)特性、力學(xué)特性和化學(xué)穩(wěn)定性等,且反應(yīng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示高溫下LATP與LMP化學(xué)兼容。在助燒劑添加量為2%,燒結(jié)溫度為825°C時(shí),密度達(dá)到了最大,同時(shí),其維氏硬度也達(dá)到最大的473 HV,離子電導(dǎo)率也同時(shí)獲得最高值(4.9×10~(-4) S cm~(-1))。通過電化學(xué)阻抗和循環(huán)伏安測(cè)試,對(duì)單層致密電解質(zhì)的等效電路進(jìn)行了分析,擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,結(jié)果表明電解質(zhì)/電極界面存在著典型的雙電層界面電容行為,有望用于制備超級(jí)電容器。設(shè)計(jì)并制備了碳填充多孔電解質(zhì)/致密電解質(zhì)/碳填充多孔電解質(zhì)的三明治結(jié)構(gòu)全固體超級(jí)電容器,并進(jìn)行了電化學(xué)性能測(cè)試。通過將添加助燒劑的LATP粉和未添加助燒劑的LATP粉壓在一起燒結(jié),獲得了多孔/致密層狀陶瓷;通過在多孔陶瓷內(nèi)填充聚酰亞胺溶液,并真空熱處理,獲得了碳填充多孔電解質(zhì);壓汞儀分析證明了碳填充多孔陶瓷后,平均孔徑下降、孔隙率下降,表明碳獲得了有效的填充,但填充率仍有很大的改善空間。層狀超級(jí)電容器在2 mV s~(-1)下具有較大的面積比電容:0.13 F cm~(-2),且經(jīng)過600次循環(huán)后,容量仍剩余91%。將來工作中仍需要合理的設(shè)計(jì)孔結(jié)構(gòu)分布,提高碳填充率,改善電極與固體電解質(zhì)接觸,以提高電容器的容量以及放電倍率特性。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM53
【圖文】：

圖 1-1 SOFC 的組成及工作原理圖Fig. 1-1 The composition and working principle of SOFC.固體氧化物燃料電池經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域，包括家用備用電式電池，都有不錯(cuò)的應(yīng)用[26]。作為固定電源，燃料電池已為 2500 個(gè)醫(yī)院、學(xué)等提供可靠的備用電源，即可連接電網(wǎng)，又可成為獨(dú)立的電池使用[27,28]；作為工具的動(dòng)力電池，燃料電池為各種汽車、飛機(jī)、輪船等提供強(qiáng)大的動(dòng)力支撐移動(dòng)電源，燃料電池可為電網(wǎng)連接不到的人煙稀少的地方提供電力[31]；作為微燃料電池也可以當(dāng)做手機(jī)或者筆記本的電源使用[32]。固體氧化物燃料電池作為新型全固體儲(chǔ)能器件，具備以下優(yōu)點(diǎn)：1、具備全固體結(jié)構(gòu)的 SOFC 可以避免液體電解質(zhì)在使用過程中的泄露以及短隱患；2、燃料適應(yīng)性廣，在燃料選擇方面，SOFC 由于是氧離子傳遞的，可以使用氫氧化碳等可燃性氣體為原料，在雜質(zhì)敏感程度方面相對(duì)較弱[33]；

圖 1-2 固體鋰離子電池原理圖[44]Fig. 1-2 Solid state lithium ion battery schematic[44].最早的基于鋰離子電解質(zhì)的全固體薄膜電池是日本日立公司開發(fā)的[45]。該電池稱為“全固體薄膜電池”，包含了一個(gè) TiS2陰極、一個(gè)金屬鋰陽極和一個(gè)采用技術(shù)制備的 Li3.6Si0.6P0.4O4電解質(zhì)。但是這種電池在當(dāng)時(shí)沒有發(fā)展成商業(yè)化，也的大型電子設(shè)備供其應(yīng)用。日本的 NTT 公司也是采用射頻濺射技術(shù)，通過0.6Si0.4O4制備了更加先進(jìn)的全固體薄膜電池[46]。貝爾實(shí)驗(yàn)室采用硫化物S7和 Li3PO4-P2S5作為固體電解質(zhì)發(fā)明了固體電池。后來，Baba[47]等人采用射方法制備了搖椅型的全固體薄膜電池，其電解質(zhì)采用 LiPON，陽極是 LixV2O LiMn2O4。同時(shí)，他們也嘗試了不采用鋰金屬作為陽極，如采用 V2O5為陽極容量達(dá)到 10 μAh cm-2的固體電池[48]。而在對(duì)固體薄膜電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，B也做過許多嘗試，他們?cè)诓讳P鋼襯底上，采用射頻磁控濺射的方法，分別沉2O4/Li3PO4/V2O5三層材料，緊接著在隔著一層不銹鋼的情況下，沉積同樣三

圖 1-3 疊層式全固體鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖[48]Fig. 1-3 Schematic diagram of stacked solid-state lithium-ion battery structure[48]..2.2.3 聚合物電解質(zhì)全固體電池對(duì)于聚合物電解質(zhì)全固體電池的研究，人們也投入了大量的精力。聚合物電解質(zhì)史，起源于 Wright[50]等人對(duì)聚氧化乙烯(PEO)堿金屬鹽電導(dǎo)率的報(bào)道。PEO 自從被固體電解質(zhì)后，就被廣泛使用。最常用的固體電解質(zhì)系統(tǒng)是 PEO 和聚環(huán)氧丙烷與復(fù)合物。PEO 的流行要?dú)w功于乙烯與鋰鹽形成復(fù)合物的簡(jiǎn)易程度。聚合物電解質(zhì)有優(yōu)點(diǎn)，如加強(qiáng)了安全性和穩(wěn)定性，且不易自發(fā)電[51,52]。Appetecchi[53]等人研究了含鋰基固體電解質(zhì)納米復(fù)合材料的性能，并發(fā)現(xiàn)了 PEO電解質(zhì)在電導(dǎo)率上有很大的優(yōu)勢(shì)，可以在全固體電池上應(yīng)用。該電解質(zhì)通過球磨，在 80-100°C 下熱壓，并采用差示掃描量熱法和熱重分析法進(jìn)行表征，結(jié)果顯示，P化了。電化學(xué)測(cè)試得到一個(gè) 3.45 V 的開路電壓。該電池最顯著的特點(diǎn)是，在整個(gè)放過程中，電壓幾乎沒有改變。在 100°C 時(shí)得到最大的電容量，140 mAh g-1。這些數(shù)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 胡毅;陳軒恕;杜硯;尹婷;;超級(jí)電容器的應(yīng)用與發(fā)展[J];電力設(shè)備;2008年01期

2 鐘海云,李薦,戴艷陽,李慶奎;新型能源器件——超級(jí)電容器研究發(fā)展最新動(dòng)態(tài)[J];電源技術(shù);2001年05期

本文編號(hào)：2745997