氧化物基固态锂离子电池的制备及性能研究

摘要

全固态锂离子电池采用不易燃的固态电解质取代有机液态电解液，可以从源头上解决锂离子电池的安全问题。但是固态锂离子电池的商业化依然面临着很多问题，如电解质层与电极层之间的界面阻抗较大、固态电解质的室温离子导电率较低等。而石榴石结构的Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12（LLZTO）材料室温离子电导率高达10-3S·cm-1，是一种非常有前景的固态电解质材料。本文主要通过制备氧化物-聚合物复合电解质膜以及复合正、负极来组装固态锂离子电池，测试并优化其电化学性能。通过引入缓冲层的方式制备柔性固态锂离子电池并测试其电化学性能。本论文的具体研究工作如下： （1）采用固相合成法制备LLZTO粉末，对材料进行XRD、SEM表征。以PVDF、PVDF-HFP、LiTFSI以及LLZTO为原料制备固态电解质膜，探究PVDF与PVDF-HFP的比例、LLZTO粉体的含量以及温度对固态电解质的离子导电率的影响。实验表明：当PVDF:PVDF-HFP=5∶95(wt%)，LiTFSI：LLZTO=9∶3(wt%)时的固态电解质膜的离子电导率最高为3.29×10-4S·cm-1，且其离子电导率随温度的升高而增大。 （2）制备NCM523复合正极/有机-无机复合固态电解质膜/石墨复合负极全固态锂离子电池，并研究其电化学性能。实验表明，所制备的固态锂离子电池首次充放电比容量分别为171.53mA·h/g和123.76mA·h/g，0.05C充放电循环20圈后放电容量保持率仍有94.01%，容量衰减较小，循环性能较好。对电池制备工艺进行优化后得到的电池首次放电比容量为144.1mA·h/g，首次放电比容量能达到克容量的96.1%，首次库伦效率为80.8%。 （3）制备复合正极/柔性固态电解质/复合负极全固态柔性锂离子电池，实验表明：当固态电解质表面引入PC-PMMA-LiTFSI-LLZTO缓冲层后，电池首次放电比容量达到148.4mA·h/g，循环30次后电池容量保持率达到94.5%，同时弯折100次后，电池放电容量保持率达到96.6%。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2全固态锂离子电池

1.2.1全固态锂离子电池结构及工作原理

1.2.2全固态锂离子电池的正极材料

1.2.3全固态锂离子电池的负极材料

1.3固态电解质

1.3.1硫化物基固态电解质

1.3.2聚合物固态电解质

1.3.3氧化物基固态电解质

1.3.4 固态锂离子电池面临的问题和解决办法

1.4.1 论文研究意义

1.4.2 论文研究内容

第二章 实验部分

2.1.1 实验药品

2.1.2实验仪器

2.2.1 X射线衍射分析

2.2.2 扫描电子显微镜

2.3 制备软包电池

2.4.1 线性伏安扫描法

2.4.2 交流阻抗测试

2.4.3 充放电循环测试

第三章 氧化物-聚合物复合电解质的制备和表征

3.1前言

3.2.1 LLZTO粉体制备

3.2.2 XRD分析

3.2.3 SEM分析

3.3.1 氧化物-聚合物复合电解质膜的制备

3.3.2 XRD分析

3.3.3 SEM分析

3.3.4 电化学稳定性分析

3.4氧化物-聚合物复合电解质影响因素的探索

3.4.1 PVDF/PVDF-HFP的质量比对复合电解质膜的影响

3.4.2 LiTFSI/LLZTO的质量比对复合电解质膜的影响

3.4.3 温度对复合电解质膜的影响

3.5 本章小结

第四章 全固态锂离子电池的制备与性能研究

4.1 前言

4.2.1 复合正极的制备

4.2.2复合负极的制备

4.2.3 氧化物-聚合物复合电解质的制备

4.2.4全固态锂离子电池的组装

4.3 复合电极的表征

4.4 电化学性能分析

4.4.1 交流阻抗分析

4.4.2 充放电性能

4.4.3 不同倍率下的放电曲线

4.5 工艺参数对全固态电池电化学性能的影响

4.5.1 固态电解质膜的厚度的影响

4.5.2 压力的影响

4.5.3热压温度的影响

4.5.4热压时间的影响

4.5.5 优化后固态电池的倍率循环性能

4.6 本章小结

第五章 柔性固态锂离子电池的制备与性能的研究

5.1 前言

5.2.1 柔性固态电解质膜的制备

5.2.2 全固态柔性锂离子电池的组装

5.2.3 全固态柔性锂离子电池的测试

5.3 固态柔性锂离子电池的优化

5.3.1 缓冲层浆料的制备

5.3.2 固态柔性锂离子电池的组装

5.4.1 缓冲层溶剂的影响

5.4.2 LLZTO粉体添加对缓冲层的影响

5.5柔性固态锂离子电池的弯折测试

5.6 本章小节

第六章 结论与展望

6.1 全文结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果