复合物固态电解质的制备及其性能研究

作     者：姜兴未 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭龙

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：复合物固态电解质 LATP 固态锂金属电池 离子电导率 界面保护 

摘      要：2023年是国产电动汽车大爆发的元年,国内外电动汽车的销售数据也都十分亮眼。然而电动汽车使用的液态锂离子电池却仍然面临着短路、易燃、泄露和爆炸等众多风险,使用复合物固态电解质替代传统的液态电解质是控制和解决上述问题的一种有效途径。作为固态电池中的一部分,固态电解质的优劣对电池性能起到关键性作用。在常见的几种类型固态电解质中,聚合物固态电解质,陶瓷固态电解质,硫化物固态电解质等单一的固态电解质通常很难满足商业电池所需的性能。因此,综合了陶瓷电解质的高离子电导率性能和聚合物电解质的优秀界面性能,制备复合固态电解质成为研究热点。本文结合不同类型电解质的优点,制备双层复合物固态电解质,同时装配磷酸铁锂（LFP）和NCM811（镍钴锰）固态电池进行电性能表征,具体内容如下: （1）设计一种双层复合固态电解质（DCPE）。其中,正极侧是以Li1.3Al0.3Ti1.7（PO4）3（LATP）为主体的电解质层,负极侧电解质层是以聚偏氟乙烯（PVDF）,聚醋酸乙烯酯（PVAC）复合三氟甲磺酸锂（Li OTf）和二氟草酸硼酸锂（Li ODFB）制备而成。这种双层结构可避免LATP在接触锂金属的过程中发生还原反应。测出双层复合物电解质具有8.29×10-5S cm-1的离子电导率和4.7V的电化学窗口,由DCPE组装成的LFP和NCM811固态电池在0.1C和25℃下放电比容量分别是159.1和193.4m Ah g-1。 （2）作为研究较多的聚环氧乙烷（PEO）有其使用局限性。例如PEO电化学窗口窄,离子电导率低,不适合直接匹配高压正极,为解决上PEO材料存在的缺陷,制备出高性能电解质,本文探究双层复合固态电解质的制备。正极侧使用LATP为主体的电解质层,负极侧以PEO为主共混少量PVDF,并复合双锂盐进一步降低PEO聚合物链段有序度用来提高电解质的离子电导率。制备的PEO共混PVDF双层电解质（PL-PEO&PVDF）在30℃下离子电导率为2.69×10-5S cm-1。通过这种方法设计的LFP固态电池中,在0.1C和25℃条件下分别产生148.4m Ah g-1的放电容量,具有可靠的倍率和循环性能。 （3）将LATP电解质与石墨进行复合（PLLL-G）,制备双层复合电解质,组装成固态电池。其中,石墨与锂金属界面在形成SEI过程中,反应生成C6Li,从而保护复合固态电解质中的LATP。未添加石墨保护层的电解质因Ti4+被还原成Ti3+造成电池快速失效。采用PLLL-G电解质设计的LFP电池,在0.1C,25℃下放电容量高达153.3mAh/g,表现出良好的循环和倍率性能。