發(fā)布時間：2020-07-16 08:20

【摘要】：全固態(tài)鋰離子電池采用不易燃的固態(tài)電解質(zhì)取代有機(jī)液態(tài)電解液,可以從源頭上解決鋰離子電池的安全問題。但是固態(tài)鋰離子電池的商業(yè)化依然面臨著很多問題,如電解質(zhì)層與電極層之間的界面阻抗較大、固態(tài)電解質(zhì)的室溫離子導(dǎo)電率較低等。而石榴石結(jié)構(gòu)的Li_(6.75)La_3Zr_(1.75)Ta_(0.25)O_(12)(LLZTO)材料室溫離子電導(dǎo)率高達(dá)10~(-3) S·cm~(-1),是一種非常有前景的固態(tài)電解質(zhì)材料。本文主要通過制備氧化物-聚合物復(fù)合電解質(zhì)膜以及復(fù)合正、負(fù)極來組裝固態(tài)鋰離子電池,測試并優(yōu)化其電化學(xué)性能。通過引入緩沖層的方式制備柔性固態(tài)鋰離子電池并測試其電化學(xué)性能。本論文的具體研究工作如下:(1)采用固相合成法制備LLZTO粉末,對材料進(jìn)行XRD、SEM表征。以PVDF、PVDF-HFP、LiTFSI以及LLZTO為原料制備固態(tài)電解質(zhì)膜,探究PVDF與PVDF-HFP的比例、LLZTO粉體的含量以及溫度對固態(tài)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率的影響。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)PVDF:PVDF-HFP=5:95(wt%),LiTFSI:LLZTO=9:3(wt%)時的固態(tài)電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率最高為3.29×10~(-4) S·cm~(-1),且其離子電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。(2)制備NCM523復(fù)合正極/有機(jī)-無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜/石墨復(fù)合負(fù)極全固態(tài)鋰離子電池,并研究其電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明,所制備的固態(tài)鋰離子電池首次充放電比容量分別為171.53 mA·h/g和123.76 mA·h/g,0.05C充放電循環(huán)20圈后放電容量保持率仍有94.01%,容量衰減較小,循環(huán)性能較好。對電池制備工藝進(jìn)行優(yōu)化后得到的電池首次放電比容量為144.1 mA·h/g,首次放電比容量能達(dá)到克容量的96.1%,首次庫倫效率為80.8%。(3)制備復(fù)合正極/柔性固態(tài)電解質(zhì)/復(fù)合負(fù)極全固態(tài)柔性鋰離子電池,實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)固態(tài)電解質(zhì)表面引入PC-PMMA-LiTFSI-LLZTO緩沖層后,電池首次放電比容量達(dá)到148.4 mA·h/g,循環(huán)30次后電池容量保持率達(dá)到94.5%,同時彎折100次后,電池放電容量保持率達(dá)到96.6%。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

固態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)及工作原理的鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、隔膜以及電解液四部材料是鋰離子電池在充放電過程中鋰離子的來源，通常是含鋰[10]，如層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2、橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4、尖晶石結(jié)構(gòu)的錳三元正極材料。負(fù)極材料的作用主要是為鋰離子的嵌入提供見的負(fù)極材料是具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨。隔膜不僅可以允許鋰離子有效的避免正、負(fù)極材料直接接觸而發(fā)生短路，通常是聚乙烯、機(jī)聚合物[11]。電解液的作用主要是在正負(fù)極之間傳導(dǎo)鋰離子，一iPF6、LiClO4）溶解在碳酸二甲酯(DimethylCarbonate,DMC)、碳ene Carbonate,EC）等有機(jī)溶劑中的方法來制作電解液，因此液態(tài)。而全固態(tài)鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、固態(tài)電解質(zhì)三部分構(gòu)解決液態(tài)鋰離子電池的安全問題。由于固態(tài)電解質(zhì)膜既可以傳導(dǎo)電池正、負(fù)極直接接觸，因此全固態(tài)鋰離子電池不需要隔膜，在電池的結(jié)構(gòu)。

圖 1-2 鋰離子電池工作原理圖[13]鋰離子電池為例，當(dāng)進(jìn)行充電時正極材料 Li碳層間，從而在電池內(nèi)部形成一種鋰碳層間化即鋰離子從負(fù)極的層間脫出，嵌入正極材料：極： 6C+xLi++xe- LixC6極： LiCoO2 xLi++Li1-xCoO2+xe-應(yīng)： LiCoO2+6C Li1-xCoO2+LixC6子電池的正極材料電池所用的正極材料與傳統(tǒng)的鋰離子電池所：鈷酸鋰、磷酸亞鐵鋰、錳酸鋰、三元正極LiCoO2），雖然其為最早商業(yè)化的鋰離子電池

圖 1-3 Li10GeP2S12的晶體結(jié)構(gòu)[36, 47]為了彌補(bǔ)典型的 Li10GeP2S12電解質(zhì)的缺點(diǎn)，研究者用其他元素替換 Ge 定程度上解決了原有的 Li10GeP2S12電解質(zhì)存在的問題。Ong 等[48]通過第模擬其他元素替換 Ge 和 S，證明了用 Si、P 等同價元素替換 Ge 后，電相似的離子電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性；用 O 替換 S 后，材料的電導(dǎo)率和穩(wěn)定所下降。Philipp Bron 等[49]用 Sn 來取代昂貴的 Ge，很大程度的降低了材，得到電導(dǎo)率高達(dá) 0.4 10-2S·cm-1的 Li10SnP2S12，但是這種固態(tài)電解質(zhì)具晶界阻抗。2014 年，Whiteley 等[37]采用相同價態(tài)的 Si 代替 Li10GeP2S12得到室溫離子電導(dǎo)率約為 2.3 10-3S·cm-1的 Li10SiP2S12，這種電解質(zhì)與金有良好的兼容性。2016 年，Kato 等[50]開發(fā)出一種新型的硫化物晶態(tài)電6P2S12,這種電解質(zhì)對金屬鋰具有極高的電化學(xué)穩(wěn)定性，室溫下離子電導(dǎo)率0-3S·cm-1。采用 Li9.6P2S12作為電解質(zhì)的全固態(tài)陶瓷電池具有較高的首次充，且能量密度比傳統(tǒng)鋰離子電池高出 2 倍以上。硫化物玻璃電解質(zhì)是由網(wǎng)絡(luò)改性體 Li2S 和網(wǎng)絡(luò)形成體（如 P2S5、SiS2、

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 李楊;連芳;周國治;;應(yīng)用于鋰離子電池的無機(jī)晶態(tài)固體電解質(zhì)導(dǎo)電性能研究進(jìn)展[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2013年07期

2 楊小艷;孔繼周;周飛;李軍秀;唐州;;鋰鎳鈷錳氧化物正極材料改性研究進(jìn)展[J];電源技術(shù);2013年03期

3 劉伶;孫克寧;楊同勇;王瑩;;層狀LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O_2正極材料的制備及改性研究進(jìn)展[J];稀有金屬快報(bào);2008年01期

4 張曉雨;;尖晶石型錳酸鋰正極材料簡介[J];北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2006年S1期

5 閆時建;田文懷;其魯;;不同溫度下合成的LiCoO_2的晶體結(jié)構(gòu)[J];無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào);2006年02期

6 高宏權(quán),王紅強(qiáng),李慶余,呂保林,黃有國;鋰離子電池超高容量負(fù)極材料的研究進(jìn)展[J];礦冶工程;2005年05期

7 王鳳,戴永年,崔萌佳,姚耀春;摻雜對尖晶石錳酸鋰正極材料的影響[J];無機(jī)鹽工業(yè);2005年01期

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1 丁平;鋰離子電池負(fù)極材料天然石墨的改性研究[D];浙江大學(xué);2007年

本文編號：2757757