基于NASICON型固体电解质的固态钠离子电池的制备与性能研究

摘要

许多领域对能量存储系统日益增长的需求刺激了锂离子电池(LIB)以外的可充电电池的发展，比如钠离子电池(SIB)。由于地壳和海洋中钠盐的丰富资源，SIB更适用于大规模储能系统。传统的SIB采用有机电解液，容易造成泄露、易燃等安全性问题。相比之下，固态钠电池(SSSB)显示出更大的解决安全问题的潜力，因为它们可以利用不易燃的固体电解质(SSE)，这可以获得更高的安全性和更高的能量密度。然而，包括低离子电导率，差的润湿性，电极和电解质之间的低稳定性/不相容性等的若干挑战降低性能，阻碍了实际应用的发展。因此，如何应对以上的挑战才是重点。 本文通过流延法合成了NZSP固体电解质薄膜，通过沉降实验确定分散剂含量（4～5 wt％），通过坯片产生的裂纹来调节粘结剂（4～6 wt％），增塑剂含量(1～2wt％)，通过烧结体密度大小和热重实验来确定升温速率(1℃/min)和排胶阶段（室温～600℃），找到了最优异的流延配方和工艺。NZSP固体电解质薄膜有如下优点:a.NZSP薄膜缩短了钠离子传输距离;b.NZSP薄膜在室温下和80℃下离子电导率分别为1.65×10-4和9.40×10-4 Scm-1;c.通过流延法可以设计薄膜厚度，可以设计三维孔结构，方便后续研究。 通过滴加界面润湿剂BMIPF6进行界面改性，固态NVP/IL+NZSP/Na(IL:0.5M NaClO4/BMIPF6)的电池首圈放电容量有90.9 mAhg-1，达到理论容量的77.69％，可以循环70圈，实现了固态电池在室温下放电。通过设计三维双层（致密层和多孔层）NZSP结构进行界面修饰，将正极材料封装在多孔层中，减少了体积变化引起的分离，在70℃和0.1 C的条件下测试，电池首放达到21mAhg-1。 通过简单的溶液流延法合成NZSP-PVDF复合固体电解质膜，改变无机填料NZSP的含量，获得离子电导率高，机械强度好的复合膜，其中较优的含量为PVDF-NaClO4-25 wt％ NZSP，复合膜具有一定的柔韧性和润湿性，与正极材料接触较好，降低了界面阻抗，电化学窗口可以达到5V，0.1 C条件下首放达到92.3 mAhg-1，循环100圈后，容量保持率为95.12％，实现较优的电化学性能。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2固体电解质

1．2．1有机聚合物电解质

1．2．2无机固体电解质

1．2．3复合固体电解质

1．3界面问题

1．3．1阴极／固体电解质界面

1．3．2阳极／固体电解质界面

1．4本论文的选题意义和研究内容

第二章流延法制备Na3Zr2Si2PO12固体电解质薄膜及其性能研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验仪器

2．2．2实验试剂

2．2．3流延法制备Na3Zr2Si2PO12固体电解质薄膜

2．2．4材料表征

2．3结果与讨论

2．3．1 XRD分析

2．3．2流延法的配方、工艺分析

2．3．3电化学性能分析

2．4本章小结

第三章基于Na3Zr2Si2PO12薄膜固态钠离子电池制备与界面修饰

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验仪器

3．2．2实验试剂

3．2．3电池性能测试

3．3结果与讨论

3．3．1不同测试温度对固态NVP／NZSP／Na电池性能的影响

3．3．2界面润湿剂对固态NVP／NZSP／Na电池性能的影响

3．3．3三维双层NZSP结构对固态NVP／NZSP／Na电池性能的影响

3．4本章小结

第四章Na3Zr2Si2PO12／PVDF复合固体电解质膜制备与性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验仪器

4．2．2实验试剂

4．2．3材料制备

4．2．4材料表征

4．3结果与讨论

4．3．1 XRD分析

4．3．2 FTIR分析

4．3．3 SEM分析

4．3．4宏观分析

4．3．5机械和热性能分析

4．3．6电化学性能分析

4．4本章小结

第五章结论

参考文献

发表论文

致谢