Cu、W共掺杂Li7La3Zr2O12固体电解质制备及其性能的研究
无机石榴石型固体电解质具有高温稳定性，较宽的电化学窗口以及较高的锂离子电导率。较液体电解质相比，其室温电导率较低但其组装的锂离子电池更为安全可靠。因此提高其室温电导率及其固态电池性能是未来固态电池发展趋势。 本文通过高温固相反应法制备了Li6.3-2xCuxLa3Zr1.65W0.35O12(0≤x≤0.5)并以Li5.95Cu0.35La3Zr1.65W0.35O12为电解质与石墨、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰（NMC532、NMC811）、锂片组装了固态电池。研究了固体电解质的掺杂Cu含量、锂盐种类、锂盐含量、预烧温度、烧结温度和埋粉量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射线光电子能谱等分析表征制备产物的性能及其结构。使用恒电流充放电测试分析了固态电池的循环性能。得到的主要结论如下： 1）制备Li6.3-2xCuxLa3Zr1.65W0.35O12(0≤x≤0.5)的较佳工艺条件为：x=0.35，Li2CO3作为锂盐并过量10%，预烧温度900℃，保温时间6h，烧结温度1160℃，保温时间12h，埋粉量3g，得到的固体电解质室温离子电导率为1.09×10-3Scm-1，激活能为0.26eV，相对致密度为96.89%，收缩率为8.15%。 2）X射线光电子能谱分析结果显示制备产物中Cu的掺杂价态为+2，W掺杂价态为+6。X射线衍射分析表明：制备的Li5.6Cu0.35La3Zr1.65W0.35O12样品为空间群Ia3d的纯立方相石榴石结构。 3）Li5.6Cu0.35La3Zr1.65W0.35O12放置于空气中三个月后电导率下降到3.37×10-4Scm-1，产生Li2CO3杂质，但未转变为四方相。 4）使用Li5.6Cu0.35La3Zr1.65W0.35O12为电解质组装的纽扣电池均实现了循环且未改变石墨、磷酸铁锂、尖晶石型锰酸锂以及三元材料的脱嵌锂方式。其中LFP|Li5.6Cu0.35La3Zr1.65W0.35O12|Li固态电池的放电电压平台为3.38V，首次充电比容量为160.8mAhg-1，首次放电比容量为147.6mAhg-1，二十圈放电比容量为148.5mAhg-1，二十圈后容量保持率为100.6%；首次库伦效率为91.8%，二十圈库伦效率为99.8%。NMC811|Li5.6Cu0.35La3Zr1.65W0.35O12|Li固态电池的放电电压平台为3.7V，首次充电比容量为229.1mAhg-1，首次放电比容量为189.8mAhg-1，二十圈放电比容量为174.0mAhg-1，二十圈后容量保持率为91.7%；首次库伦效率为82.9%，二十圈库伦效率为99.7%。 5）创新点：高温固相合成Cu、W共掺杂Li7La3Zr2O12固体电解质及其固态电池的研究均未见报道。
锂离子电池;固态电池;固体电解质;石榴石;离子电导率
上海应用技术大学
硕士
应用化学
刘小珍
2020
中文
TM912.9
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）