铜钡共掺杂锂镧锆氧固体电解质的研制
有机液体电解质在一定条件下会发生泄漏并燃烧，存在一定的安全隐患。用无机固体电解质来代替有机液体电解质，可以提升电池的安全性。石榴石型固体电解质具有较高的锂离子电导率，而且具有宽电压窗口。在众多的石榴石型电解质中，Li7La3Zr2O12（LLZO）石榴石型电解质尤其引人注意，通过适当的掺杂后其离子电导率能达到较高的水平。 本文通过高温固相法制备了Li7.03-2xCuxLa2.97Ba0.03Zr2O12（0≤x≤0.5）和Li6.3+yCu0.35La3-yBayZr2O12（0≤y≤0.05）固体电解质。研究了固体电解质的掺杂Cu含量、Ba含量、锂盐种类、锂盐含量、预烧温度和烧结温度的制备工艺及其在空气中的稳定性。使用交流阻抗、X射线衍射、扫描电镜、X射线光电子等对制备产物进行表征。另外，使用Li6.33Cu0.35La2.97Ba0.03Zr2O12（LCLBZO）固体电解质组装成固态电池使用恒电流充放电测试分析了固态电池的循环性能。主要研究成果如下： 1）制备的Li7.03-2xCuxLa2.97Ba0.03Zr2O12（0≤x≤0.5）和Li6.3+yCu0.35La3-yBayZr2O12（0≤y≤0.05）固体电解质较佳工艺为：x=0.35，y=0.03，Li2CO3为锂盐并过量10wt%，预烧温度900℃，烧结温度1160℃。在此条件下制备的固体电解质的室温离子电导率为1.96×10-3Scm-1，相对致密度为96.2%，收缩率为9.2%，激活能为0.31eV。X射线衍射表明制备的Li6.33Cu0.35La2.97Ba0.03Zr2O12固体电解质为立方相的石榴石型结构。X射线光电子能谱结果表明样品中Cu的掺杂价态为+2价。 2）Li6.33Cu0.35La2.97Ba0.03Zr2O12固体电解质放置在空气中，3个月之后电导率下降到1.17×10-4Scm-1，表面生成Li2CO3，但无相变。 3）使用Li6.33Cu0.35La2.97Ba0.03Zr2O12为固体电解质，分别与石墨（C）、磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）、镍钴锰酸锂（NCM532、NCM811）以及金属锂片组装成纽扣电池，组装的电池均能实现循环。其中，LFP|LCLBZO|Li固态电池在3.37V左右存在放电电压平台，电池首次放电比容量为156.4mAhg-1，第20圈放电比容量为155.5mAhg-1，容量保持率为99.4%。电池的首次库伦效率为96.13%，第20圈循环后库伦效率为100.58%。NCM811|LCLBZO|Li固态电池在3.7V左右存在放电电压平台，电池首次放电比容量为189.3mAhg-1，第20圈放电比容量为174mAhg-1，容量保持率为91.9%。电池的首次库伦效率为98.75%，20圈后库伦效率为100.46%。
固态电池;固体电解质;锂镧锆氧
上海应用技术大学
硕士
应用化学
刘小珍
2020
中文
TM912
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）