磷酸钛铝锂的制备及其在锂空气二次电池中的应用

摘要

锂空气电池由于具有较高的能量密度而受到人们的关注，而传统的锂空气电池由于仅仅采用有机电解液，导致负极金属锂极易受到空气中水及二氧化碳的腐蚀，限制了锂空气电池的循环性能及稳定性能。以固体电解质制备的新型锂空气电池成为改善锂空气电池循环性能的突破。因此，制备具有高离子电导率的固体电解质成为提高锂空气电池性能的关键。
　　本文选取LATP（Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3）锂离子固体电解质为研究对象，探讨了不同制备工艺，添加剂的掺杂等对LATP锂离子固体电解质离子电导率、机械性能等的影响，确定了制备LATP锂离子固体电解质的最佳化学计量比及工艺条件；另外，还以LATP固体电解质组装了锂空气电池，确定了锂空气电池的结构，并研究了锂空气电池的循环性能及稳定性能。
　　采用高温固相法制备LATP锂离子固体电解质的研究发现，磷酸锂的掺杂对LATP固体电解质的离子电导率的改善不明显，而二氧化硅的掺杂可有效提高LATP固体电解质的离子电导率，在Li1.3+yTi1.7Al0.3SiyP3-yO12（y=0、0.1、0.2、0.3）中，当二氧化硅的掺杂量为y=0.1时，制备的LATP固体电解质的室温离子电导率最高，可达1.1×10-4 S·cm-1。采用整体析晶法制备LATP微晶玻璃时，硼酸的掺杂可有效降低LATP玻璃的熔融温度，改善LATP固体电解质的离子电导率，当硼酸的掺杂量为70％时，制备的LATP固体电解质的室温离子电导率最高，可达9.91×10-5 S·cm-1。
　　以LATP微晶玻璃为锂离子固体电解质组装锂空气电池发现，采用10 mol/L的氯化锂与0.1 mol/L的氢氧化锂混合溶液为水相，制备的锂空气电池的循环性能及稳定性能较好，当采取限制容量为1 mAh的方式充放电时，循环5次未出现明显电压衰减。
　　对LATP的差热分析曲线进行了分析，发现Li1.4Ti1.7Al0.3Si0.1P2.9O12微晶玻璃的析晶活化能为331.146 KJ/mol，晶体生长指数为3，表明Li1.4Ti1.7Al0.3Si0.1P2.9O12玻璃的成核以三维体积成核为主。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的

1.2 NASICON结构的锂离子无机固体电解质的研究现状

1.3 磷酸钛铝锂（LATP）的研究现状

1.4 锂空气电池的研究现状

1.5 本论文主要研究的内容

第2章 试验材料及各测试方法

2.1 实验药品及仪器

2.2 固体电解质的制备

2.3 固体电解质的性能测试

2.4 混合体系锂空气电池的测试

第3章 LATP固体电解质的制备及改性研究

3.1 引言

3.2 高温固相法制备LATP锂离子固体电解质

3.3 LATP微晶玻璃的制备及改性

3.4 本章小结

第4章 以LATP微晶玻璃为固体电解质的锂空气二次电池性能研究

4.1 引言

4.2 混合体系锂空气电池组装

4.3 锂空气电池充放电性能研究

4.4 锂空气电池阻抗性能研究

4.5 锂空气电池可逆性能研究

4.6 锂空气电池的倍率性能及功率密度研究

4.7 本章小结

第5章 LATP微晶玻璃析晶动力学分析

5.1 引言

5.2 LATP微晶玻璃差热分析测试

5.3 LATP微晶玻璃析晶活化能的分析

5.4 LATP微晶玻璃晶体生长指数的分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢