有机体系锂氧电池固体电解质的制备与性能研究

摘要

随着科技的进步，迫切需要发展高比能量和高比容量的能量存储和转换系统。在目前的储能系统中，锂离子电池由于具有重量轻、比容量高等优点，已被广泛应用于各种便携式电子设备和装置。但是，随着大型能源设备的开发，如插件混合动力电动汽车(PHEV)和电动汽车(EV)的发展，传统的锂离子电池(100-200Wh/kg)的能量密度已逐渐无法满足实际应用的需要。锂空气电池具有二次电池中最高的理论比能量(11400Wh/kg)和理论比容量(3860mWh/g),因此得到了研究人员的广泛关注。该电池系统被认为将来有可能代替汽油作为动力汽车的能量装置。近十年来，研究人员进行了大量的研究工作以提高锂空气电池的性能，但可充电的锂空气电池在实际应用过程中仍然存在许多挑战。例如，金属锂阳极和有机电解液发生反应产生副产物，有机电解液易燃和稳定性不高等问题。本论文制备了无机固体电解质材料并将其应用于锂空气电池中，有效的避免和减轻了电池中的副反应。并采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)等物理表征以及电化学的研究方法，系统的研究了固体电解质材料的结构、导电性能以及在锂空气电池中的电化学性能和界面稳定性。
　　本论文首先采用溶胶凝胶方法在较低的温度下合成了LiTi2(PO4)3(LTP)和Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP)固体电解质材料，表征结果表明相比于LTP，掺杂之后的LATP晶体结构没有发生变化，但是LATP的离子电导率却有很明显的提高。电解质粉体材料经过研磨压片在适宜的温度下煅烧成固体电解质膜片，并作为固体电解质应用到锂空气电池中。在完全充放电的测试过程中LiTi2(PO4)3锂空气电池的比容量达到了5100mAh g-1electiode，以Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3作为电解质的锂空气电池比容量为7991.3mAh g-1electiode，而且Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3锂空气电池的放电平台也明显高于LiTi2(PO4)固体锂空气电池。两种锂空气电池在进行控制容量为500mAh g-1electiode的等容量充放电测试中放电电压平台都能达到2.65V，充放电测试结果表明LiTi2(PO4)3锂空气电池可以实现12个充放电循环，而使用Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3作为固体电解质的锂空气电池实现了18个充放电循环。对锂空气电池在充放电后的固体电解质界面进行了表征，结果表明掺杂后的固体电解质能有效改善锂空气电池的电化学性能和充放电稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 锂空气电池的研究进展

1．3 锂空气电池的分类

1．4 锂空气电池正极

1．4．1 正极材料

1．4．2 催化剂

1．5 锂空气电池负极的研究

1．6 锂空气电池电解质

1．6．2 非水性体系

1．6．3 固体电解质体系

1．7 本论文研究目的

第二章 实验部分

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．2 固体电解质材料制备方法

2．2．1 高温固相法

2．2．2 溶胶凝胶法

2．3 实验方法

2．3．2 氧电极的制备及电池组装

2．3．3 电化学特征测试

第三章 LTP固体电解质的制备及其在锂空气电池中的电化学性能

3．1 引言

3．2 NASCION型LTP材料的物理化学表征

3．3 电化学性能及产物分析

3．4 本章小结

第四章 LATP固体电解质的制备及其在锂空气电池中的电化学性能

4．1 引言

4．2 固体材料的物理化学表征

4．3 LATP固体电解质的离子电导率

4．4 电化学性能

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢