铝钽共掺杂石榴石型Li7La3Zr2O12及其复合固态电解质的制备与电化学性能研究

作     者：高辛龙 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐晶晶;王鹏

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：石榴石型固态电解质 元素掺杂 PVDF-HFP 复合电解质 

摘      要：与目前大规模商业化的锂离子电池相比,全固态电池具有优异的安全性和高能量密度的优势,然而固态电解质电导率低以及界面间阻抗大等问题严重阻碍了其实际应用过程。石榴石型固态电解质LiLaZrO(LLZO)因具有高的离子电导率、良好的化学及电化学稳定性等优点备受关注,但目前依然没有解决其与正负极间界面阻抗大及受压易碎的问题;聚合物固态电解质PVDF-HFP和电极具有良好的接触性能,但依然存在室温下离子电导率低的问题。为此,本文开展了LLZO铝钽共掺杂改性以及改性产物与聚合物固态电解质PVDF-HFP复合的研究,以有效提升固态电解质的电化学性能。论文的主要研究内容和结论如下:(1)采用高温固相-埋粉烧结法制备了Al、Ta共掺杂LiAlLaZrTaO(ATLLZO)材料,结果表明:(1)950℃为ATLLZO获得良好立方相的最佳预烧温度,且在此预烧温度下将Al的掺杂量固定在0.2时(y=0.2),Ta掺杂量的变化不影响ATLLZO的立方相结构;(2)当埋粉烧结温度与烧结时间分别控制在1180℃与22h时,所得ATLLZO的致密度达91.2%;(3)将LiAlLaZrTaO中x与y分别控制为0.6与0.2,通过950℃预烧与1180℃埋粉烧结所制备的ATLLZO表现出了5.357×10 S/cm的优良室温离子电导率,其激活能为0.32 e V。(2)为解决ATLLZO与电极间界面阻抗大的问题,通过溶液浇铸法制备了复合固态电解质PVDF-HFP+LITFSI+ATLLZO(PHL-ATLLZO),并研究了其电化学性能。结果表明:(1)当复合电解质中锂盐LITFSI含量控制在40 wt%时,所得复合固态电解质的拉伸强度为14.1 MPa;(2)当将复合电解质中锂盐LITFSI含量控制在40wt%,且其中活性填料ATLLZO含量控制在10 wt%时,所得复合固态电解质的室温离子电导率为2.686×10S/cm,离子迁移数t为0.37,且其可表现出5.0 V的宽电化学窗口。(3)基于复合固态电解质所组装Li Fe PO|PHL-ATLLZO|Li全固态电池在室温下表现出了优异的循环稳定性。先通过溶液浇铸法制备固态电解质膜再组装成全固态电池在0.2C和1C倍率下容量稳定后循环100圈依然有高达99.9%以上的库伦效率;复合固态电解质在正极表面浇铸成型组装的电池,在0.2C的倍率下循环100圈之后,放电比容量为134.3 m Ah/g,容量保持率为96.2%。图53幅,表10个,参考文献125篇