无机锂离子固体电解质的界面特性及应用研究

摘要

全固态锂电池、混合电解质锂/空气电池是高能电池研究的热点,而锂离子固体电解质是新型锂电池研究的重点,锂离子固体电解质的制备和应用研究更是研究的关键和突破点。本文对Li2O-Al2O3-TiO2-P2O5(LATP)玻璃陶瓷电解质、Li2O-Al2O3-GeO2-P2O5(LAGP)玻璃陶瓷电解质及LiPON固体电解质制备及应用进行了研究,采用交流阻抗谱的研究方法对LAGP固体电解质片在锂/空气电池中的界面动力学进行了探讨,并针对表面进行修饰改性,从而提高了电池放电性能。
　　本文中介绍了LATP和LAGP两种NASICON型固体电解质的制备方法,这两种固体电解质的离子电导率分别达到了4×10-4S/cm和5.7×10-4S/cm。采用LATP和LAGP固体电解质的水稳定锂电极化学性能稳定,循环工作正常。但是由于固体电解质的引入导致阻抗增大,因此采用水稳定锂电极组装的混合电解质锂/空气电池输出功率较低。
　　为了解决混合电解质锂/空气电池内阻大、功率低的问题,对水稳定锂电极中涉及的界面阻抗分别进行了深入的分析。设计了3电极和4电极测试电池的交流阻抗谱实验,并对实验结果进行了计算机拟合分析。经分析发现金属锂/有机电解液界面阻抗由于SEI的生长而随时间增加,在开路条件下逐渐变为电池内主要阻抗,但在放电极化条件下,由于电极表面极化的影响及SEI破裂的原因,该界面阻抗迅速下降。而且,选择合适的有机电解液可以将该界面阻抗降低到可以忽略的程度。在放电极化时,有机电解液/固体电解质界面阻抗是限制混合电解质锂/空气电池放电功率的控制因素,该界面阻抗受温度影响,工作温度的提高可以大幅降低其界面阻抗。通过对有机电解液/固体电解质界面阻抗研究,根据其界面动力学特点,设计了界面修饰膜的方法降低界面阻抗。采用磁控溅射法制备的有机电解液/固体电解质LTO界面修饰薄膜,大幅降低了有机电解液/固体电解质界面阻抗,电池放电功率性能提升80％以上。
　　本文中还对全固态电池中的固体电解质的应用进行了研究,设计并制备了LiPON固体电解质的全固态薄膜电池。通过对材料及合成技术的研究,制备出了采用铝集流体的免退火LiCoO2正极薄膜,其容量达到60μAh/cm2μm。铝集流体代替常用的铂集流体,降低了制备成本;免退火LiCoO2正极薄膜技术代替原来的退火正极技术,减少了制备步骤,提高了效率。采用磁控溅射技术,制备的“Al/LiCoO2/LiPON/Cu”结构的全固态薄膜电池,在氩气气氛下进行了充放电测试,循环稳定。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.3全固态锂/锂离子电池的原理及研究进展

1.4锂空气电池原理及研究进展

1.5 固体电解质的结构及研究进展

1.6 交流阻抗谱原理及应用

1.7本论文的研究思路和内容

第二章 NASICON型固体电解质的制备及应用研究

2.1 引言

2.2实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

第三章 LAGP锂离子固体电解质界面阻抗研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4结论

第四章 NASICON型固体电解质界面改性研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

第五章 LiPON固体电解质制备及应用研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4结论

第六章 论文总结及展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢