發(fā)布時(shí)間：2017-09-06 00:17

  本文關(guān)鍵詞：Li-Sr-Ta-Hf基鈣鈦礦型固體電解質(zhì)的制備與性能研究

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【摘要】：鋰離子電池因?yàn)槠涔ぷ麟妷�、能量密度、能量效率高以及自放電低等�?yōu)勢(shì)吸引了大量研究者的注意。目前鋰離子電池廣泛使用的是有機(jī)電解液,但是有機(jī)電解液易燃,安全性能差制約了大功率電動(dòng)汽車用鋰離子電池的發(fā)展。固體電解質(zhì)是一類重要的功能材料,因其安全、室溫電導(dǎo)率高且電化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。有文獻(xiàn)報(bào)道了一類鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yZr_(1-y)O_3固體電解質(zhì)體系,性能較好。本文通過(guò)Hf取代Zr固相法合成鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yHf_(1-y)O_3固體電解質(zhì),其中化學(xué)式為L(zhǎng)i_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3的樣品在鋰過(guò)量為20wt%的情況下,900℃預(yù)燒12h,壓片1300℃保溫10h性能最好,室溫電導(dǎo)率dLi=3.8×10~(-4)S·cm~(-1),激活能為0.36eV。SPS燒結(jié)能夠進(jìn)一步提高Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3樣品的室溫電導(dǎo)率至4.38×10-4S·cm~(-1)。在固體電解質(zhì)中加入燒結(jié)助劑有利于提高材料的致密度。Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)樣品分別加入2wt%硼酸鋰和氟化鋰能夠提高樣品致密度,加入之后樣品的室溫電導(dǎo)率分別為2.69×10-4S·cm~(-1)和3.32×10-4S·cm~(-1)。以氟化鋰為F-離子源,F-離子部分取代O2-離子晶格位置,對(duì)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)進(jìn)行F-離子摻雜,摻雜后的Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_yHf(1-y)O_(3-x)Fx固體電解質(zhì),當(dāng)x=0.05時(shí),樣品Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_0.7Hf_0.3O_2.95F_0.05具有最高的密度,室溫電導(dǎo)率為3.14×10~(-4)S·cm~(-1),激活能降低至0.31eV。固體電解質(zhì)與金屬鋰之間是否電化學(xué)穩(wěn)定直接影響其在電池中的應(yīng)用。本文中,當(dāng)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)與金屬鋰接觸20min之后,會(huì)由白色變成黑色,XPS光譜分析用于分析Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)與金屬鋰接觸面的氧化物形態(tài),結(jié)果顯示Ta會(huì)與金屬鋰發(fā)生反應(yīng),所以Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)與金屬鋰之間不能直接接觸。Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)與商業(yè)化的有機(jī)電解液之間性能穩(wěn)定,經(jīng)過(guò)12天之后,樣品室溫下總的電導(dǎo)率為1.7×10~(-4)S·cm~(-1),界面電導(dǎo)率為3.3×10~(-4)S·cm~(-1)。Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)在1.4V以下電壓不穩(wěn)定,但是在1.4-4.5V電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定,電化學(xué)窗口比商業(yè)化的NASICON型Li_1.3Ti_1.7Al_0.3(PO_4)_3固體電解質(zhì)更寬。Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)應(yīng)用于LiFePO_4/Li紐扣電池中,電池性能很好,LiFePO_4正極材料首次放電比容量為145mAh·g~(-1),循環(huán)50次之后容量保持率為99.7%。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 固體電解質(zhì) 鈣鈦礦 SPS 燒結(jié)助劑
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM912;O646
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 緒論9-25
• 1.1 引言9
• 1.2 鋰離子電池9-12
• 1.2.1 鋰離子電池的發(fā)展9-10
• 1.2.2 鋰離子電池的工作原理及特點(diǎn)10-12
• 1.3 下一代鋰電池12-15
• 1.4 目前主要的電解液及其特點(diǎn)15-18
• 1.4.1 有機(jī)電解液15-16
• 1.4.2 固體聚合物電解質(zhì)16-17
• 1.4.3 凝膠聚合物電解質(zhì)17
• 1.4.4 下一代鋰離子電池用固體電解質(zhì)的特點(diǎn)17-18
• 1.5 固體電解質(zhì)18-24
• 1.5.1 固體電解質(zhì)的分類18-19
• 1.5.2 常見(jiàn)的鋰離子固體電解質(zhì)及研究現(xiàn)狀19-24
• 1.6 研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)24-25
• 1.6.1 實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容24
• 1.6.2 論文的研究目標(biāo)24-25
• 第2章 材料的合成工藝與表征方法25-30
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料和試劑25
• 2.2 鈣鈦礦型固體電解質(zhì)的制備及燒結(jié)25-26
• 2.2.1 固相合成法制備鈣鈦礦型固體電解質(zhì)材料25-26
• 2.2.2 鈣鈦礦型固體電解質(zhì)的燒結(jié)方法26
• 2.3 鈣鈦礦型固體電解質(zhì)的主要性能表征26-30
• 2.3.1 X射線衍射分析26-27
• 2.3.2 顯微結(jié)構(gòu)分析27
• 2.3.3 X射線光電子能譜分析(XPS)27
• 2.3.4 元素分析27
• 2.3.5 固態(tài)核磁27-28
• 2.3.6 電導(dǎo)率測(cè)試28-29
• 2.3.7 電池性能測(cè)試29-30
• 第3章 鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yHf(1-y)O_3固體電解質(zhì)的合成與性能30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yHf(1-y)O_3固體電解質(zhì)的合成30-31
• 3.2.1 固相法無(wú)壓燒結(jié)制備鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yHf_(1-y)O_3固體電解質(zhì)30
• 3.2.2 SPS燒結(jié)制備鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yHf_(1-y)O_3固體電解質(zhì)30-31
• 3.3 鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yHf_(1-y)O_3固體電解質(zhì)體系空位濃度與載流子濃度對(duì)成相及性能的影響31-34
• 3.3.1 不同空位和載流子濃度對(duì)鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yHf_(1-y)O_3固體電解質(zhì)體系成相的影響31-33
• 3.3.2 鈣鈦礦型Li_(2x-y)Sr_(1-x)Ta_yHf_(1-y)O_3固體電解質(zhì)不同空位和載流子濃度下得到純相樣品的電導(dǎo)率33-34
• 3.4 無(wú)壓燒結(jié)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)樣品的結(jié)構(gòu)與性能34-38
• 3.4.1 鈣鈦礦型Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)燒結(jié)制度的研究34-36
• 3.4.2 鈣鈦礦型Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)和電性能36-38
• 3.5 SPS燒結(jié)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)樣品的結(jié)構(gòu)與性能38-41
• 3.6 本章小結(jié)41-42
• 第4章 燒結(jié)助劑及F-離子摻雜對(duì)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)性能的影響42-57
• 4.1 引言42
• 4.2 燒結(jié)助劑對(duì)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)性能的影響42-50
• 4.2.1 硼酸鋰和硅酸鋰的制備42-43
• 4.2.2 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程添加燒結(jié)助劑的研究43-49
• 4.2.3 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)SPS燒結(jié)過(guò)程添加燒結(jié)助劑的研究49-50
• 4.3 F-離子摻雜對(duì)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)性能的影響50-55
• 4.3.1 F-離子摻雜對(duì)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_yHf_(1-y)O_(3-x)F_x固體電解質(zhì)成相的影響51-52
• 4.3.2 F-離子摻雜對(duì)Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_yHf_(1-y)O_(3-x)F_x固體電解質(zhì)電性能的影響52-54
• 4.3.3 F-離子摻雜Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_yHf_(1-y)O_(3-x)F_x固體電解質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)54-55
• 4.4 本章小結(jié)55-57
• 第5章 鈣鈦礦型Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)在鋰離子電池中的應(yīng)用57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)與金屬鋰及液態(tài)電解質(zhì)之間的穩(wěn)定性57-61
• 5.2.1 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)與金屬鋰之間的穩(wěn)定性57-59
• 5.2.2 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)之間的穩(wěn)定性59-61
• 5.3 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)中鋰離子遷移能力與電化學(xué)窗口61-64
• 5.3.1 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)中鋰離子遷移能力61-62
• 5.3.2 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)的電化學(xué)窗口62-64
• 5.4 Li_(3/8)Sr_(7/16)Ta_(3/4)Hf_(1/4)O_3固體電解質(zhì)在LiFePO4/Li半電池中的應(yīng)用64-65
• 5.5 本章小結(jié)65-67
• 第6章 結(jié)論與展望67-69
• 6.1 結(jié)論67-68
• 6.2 展望68-69
• 致謝69-70
• 參考文獻(xiàn)70-75
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果75-76

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