固态电解质磷酸钛铝（硅）锂材料的制备与性能研究

摘要

全固态薄膜锂电池因其高效能、安全性佳、易携带、环境友好等优势，被广泛应用于微型电子器件中。其中，薄膜电解质的性能更是成为全固态薄膜锂电池使用的先决条件。NASICON型薄膜电解质是目前最具潜力的无机固态电解质材料，其具有较高的离子电导率、在空气中能稳定使用、并且电子电导率低等特点，成为当前薄膜电解质材料研究的焦点。本文旨在通过掺杂 Al3+、Si4+离子制备具有钠快离子结构（NASICON）的 Li1+xMxTi2-x(PO4)3块体陶瓷电解质，得到性能最好的磷酸钛铝锂（LATP）、磷酸钛硅锂（LSTP）粉末，之后将性能最优的粉体制成粉末靶，采用射频磁控溅射的方法制备出离子电导率高、电子电导率低并且可应用于全固态薄膜电池的LSTP、LATP薄膜电解质。本文主要内容有： (1)采用共沉淀法制备LATP及LSTP粉末，通过测试其陶瓷片的性能得到最优的掺杂比例的粉末，其中当 LATP比例为 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3时，离子电导率和电子电导率分别为1.58×10-6 S/cm、1.08×10-12 S/cm，两者相差达到5个数量级。对于LSTP，掺杂比例为Li1.4Si0.4Ti1.6(PO4)3时性能最佳，离子电导率为4.47×10-7 S/cm，电子电导率达1.64×10-12 S/cm。 (2)本文首次创新性地以Li1.4Si0.4Ti1.6(PO4)3粉末靶为靶材，采用射频磁控溅射法制备非晶态的LSTP薄膜电解质，研究基片温度与溅射腔压对薄膜的沉积速率、表面形貌以及电导率的影响。结果表明1.4Pa是最为合适的溅射气压，在500℃的基片温度下LSTP薄膜获得离子电导率最高为4.22×10-6 S/cm，电子电导率最低为8.30×10-14~1.25×10-12S/cm。相比其陶瓷样品，离子电导率保持在10-6S/cm，但电子电导率则降低了两个数量级。 (3)采用射频磁控溅射方法，以 Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3粉末靶为靶材制备非晶态LATP薄膜电解质，并深入探讨溅射气氛以及溅射功率对LATP薄膜电解质性能的影响。结果发现在 Ar+O2气氛下薄膜的表面颗粒均匀致密，薄膜表面的粗糙度最小为3.22nm，并且离子电导率为6.47×10-6 S/cm，电子电导率为2.34×10-14~1.82×10-13 S/cm。两者相差8个数量级，完全可以作为电解质材料在全固态薄膜锂离子电池中使用。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景

§1.2 全固态薄膜锂离子电池的特征与工作原理

§1.3 全固态薄膜锂离子电池无机电解质材料的简介

§1.4 无机固态薄膜电解质材料的研究现状

§1.5 本论文的研究目的及内容

第二章 实验材料及研究方法

§2.1 实验原料和设备

§2.2 LATP、LSTP粉末及薄膜电解质的制备过程

§2.3 性能表征

第三章 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3和Li1+ySiyTi2-y(PO4)3陶瓷电解质的性能研究

§3.1 前言

§3.2 LATP陶瓷片的性能分析

§3.3 LSTP陶瓷片的性能分析

§3.4 本章小结

第四章 非晶态Li-Si-Ti-P-O薄膜电解质的制备及性能研究

§4.1 前言

§4.2 基片温度对LSTP薄膜性能的影响

§4.3 溅射气压对LSTP薄膜性能的影响

§4.4 本章小结

第五章 非晶态LATP薄膜电解质的制备与性能研究

§5.1 前言

§5.2 溅射气氛对LATP薄膜性能的影响

§5.3 氩氧比对LATP薄膜性能的影响

§5.4 溅射功率对LATP薄膜性能的影响

§5.5 本章小结

第六章 结论与展望

§6.1 主要研究工作总结

§6.2 研究工作展望

参考文献

致谢

硕士期间的研究成果