石榴石型固体电解质的制备、结构与电化学性能研究

摘要

传统锂离子电池的电解质通常采用液态电解液，但液态电解液存在易泄露、易燃、易爆等安全问题，固体电解质可以解决液态电解液所带来的一系列问题而备受关注。石榴石型固体电解质具有电化学稳定性好、电化学窗口宽、与金属锂接触稳定等优点，是固体电解质材料的较优选择，但是它的离子电导率较低且立方相结构不易获取。本文通过不同离子替换的方法来制备高电导率的立方相石榴石型固体电解质材料。
　　采用同价Ge4+取代Zr4+制备了Li7La3Zr2-xGexO12(x=0-0.4)石榴石型电解质材料。研究表明:此材料为立方相石榴石型结构，少量Ge4+会进入Li+位置产生较多的Li+空位，Ge4+的取代也可以促进晶粒生长并且提高材料的致密度。当x=0.3时，Li7La3Zr1.7Ge0.3O12在室温下的离子电导率可达4.78×10-4S/cm，并且在-20℃～-60℃范围内的活化能仅为0.29eV。Li7La3Zr1.7Ge0.3O12电解质材料具有较宽的电化学窗口，与负极锂金属接触稳定，应用其组装的电池在电流密度为0.1C进行充放电循环20次后放电容量仍然保持在140.6mA g-1。
　　通过高价Bi5+取代Sn4+制备了Li7-xLa3Sn2-xBixO12(x=0-1.0)石榴石型电解质材料。研究表明:通过较低烧结温度(750℃)可以获得室温立方相结构的Li6.25La3Sn1.25Bi0.75O12，增长烧结时间有利于晶粒的生长，从而获得高电导率的电解质材料。随着Bi5+浓度的增大，材料的结构由四方相变为立方相，当x=0.25时为四方相和立方相的混合相，当0.5≤x≤1.0为纯的立方相石榴石型结构。此外，当x=0.75时，Li6.25La3Sn1.25Bi0.75O12具有较高的离子电导率和低的活化能，在60℃时其离子电导率可达2.25×10-4S/cm，并且在-20℃～60℃范围的活化能为0.55eV。此材料具有低的电子电导率，是良好的离子导体。
　　通过高温固相法制备了Li7La3Zr2-xSnxO12(x=0-1.0)陶瓷电解质材料。研究表明:1180℃烧结的样品具有高的致密度和较高的离子电导率。当0.1≤x≤0.5时，Li7La3Zr2-xSnxO12为立方相石榴石型结构，并且具有较高的离子电导率，均在10-4数量级。当x=1时，其结构为四方相和立方相混合的石榴石型结构，离子电导率为1.02×10-5S/cm。样品的晶界电阻大于晶粒电阻，晶界电阻是阻碍离子传导的主要原因。此材料具有低的电子电导率，是理想的离子导体，同时Li7La3ZrSnO12具有宽的电化学稳定窗口。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池

1．2．1 锂离子电池的工作原理

1．2．2 锂离子电池的发展

1．2．3 锂-空气电池

1．3 固体电解质

1．3．1 固体电解质的特点

1．3．2 固体电解质的分类

1．4 常见的无机固体电解质

1．4．2 LISICON型

1．4．3 钙钛矿型

1．4．4 石榴石型

1．5 论文立题依据和研究内容

1．5．1 立题依据

1．5．2 研究内容

第二章 实验试剂／仪器、制备工艺及表征手法

2．1 实验试剂／仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 制备工艺

2．2．3 Li7La3Zr2-xSnxO12(x=0．1 -1．0)的制备

2．3 表征手法

2．3．5 密度测量

2．3．6 交流阻抗测试

2．3．7 循环伏安测试

2．3．8 计时电流测试

第三章 Li7La3zr2-xGexO12的制备、结构与电化学性能研究

3．1 引言

3．2 烧结温度对样品的结构与电性能的影响

3．2．1 XIm分析

3．2．2 SEM分析

3．2．3 EIS分析

3．3 Li7La3zr2-xGexO12的结构与形貌

3．3．1 XRD分析

3．3．2 Raman分析

3．3．3 SEM和EDS分析

3．4 Li7La3Zr2-xGexO12的电化学性能与稳定性

3．4．1 EIS和活化能分析

3．4．2 稳定性和电性能分析

3．5 本章小结

第四章 Li7-xLa3Sn2-xBixO12的制备、结构与电化学性能研究

4．1 引言

4．2 烧结工艺对样品的结构与电性能的影响

4．2．1 烧结温度对样品结构与电性能的影响

4．2．2 烧结时间对样品的结构与电性能的影响

4．3 Li7-xLa3Sn2-xBixO12的结构与形貌

4．3．1 XRD分析

4．3．2 Raman分析

4．3．3 XPS及EDS分析

4．3．4 SEM分析

4．4 Li7-xLa3Sn2-xBixO12的电化学性能

4．4．1 EIS分析

4．4．2 活化能分析

4．4．3 电子电导率

4．5 本章小结

第五章 Li7La3Zr2-xSnxO12的制备、结构与电化学性能研究

5．1 引言

5．2 烧结温度对样品的结构与电性能的影响

5．2．1 XRD分析

5．2．2 密度与收缩率分析

5．2．3 EIS分析

5．3 Li7La3Zr2-xSnxO12的结构与形貌

5．3．1 XRD分析

5．3．2 Raman分析

5．3．3 SEM分析

5．4．1 EIS分析

5．4．2 活化能分析

5．4．3 电子电导率和CV分析

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果

作者及导师简介