【摘 要】
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固态电池与传统液态电池相比,具有安全性高、能量密度高、力学强度高、循环寿命好等优点。开发具有高机械性能、高离子电导率、优异电化学和热稳定性、以及与电极材料兼容的固态电解质是固态电池发展的关键。石榴石型固态电解质锆酸镧锂(LLZO)由于综合性能优异,如对锂金属稳定、电化学窗口宽、环境友好等优点脱颖而出,但是LLZO通常制备方案复杂且需要高温煅烧。在各类固态电解质中,无机电解质离子电导率高、化学及电化
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固态电池与传统液态电池相比,具有安全性高、能量密度高、力学强度高、循环寿命好等优点。开发具有高机械性能、高离子电导率、优异电化学和热稳定性、以及与电极材料兼容的固态电解质是固态电池发展的关键。石榴石型固态电解质锆酸镧锂(LLZO)由于综合性能优异,如对锂金属稳定、电化学窗口宽、环境友好等优点脱颖而出,但是LLZO通常制备方案复杂且需要高温煅烧。在各类固态电解质中,无机电解质离子电导率高、化学及电化学稳定性好、机械强度高的特点,但其与电极的界面接触较差,通常厚且脆,柔性不佳。聚合物电解质机械柔韧性好,与电极接触好,易制备成薄膜,但是常温下离子电导率低,电化学稳定性差,阻燃性差。而有机无机复合固态电解质结合了聚合物电解质和无机电解质的优势,是目前最具发展潜力的体系。为了简便LLZO的制备方法、降低煅烧温度和时间,本文通过自搭建的静电纺丝设备制备了LLZO纳米纤维,并对其配方进行了优化。此外,为了制备出离子电导率高、柔韧性好、与电极接触好的复合固态电解质,将自制的LLZO纳米纤维、LLZO颗粒与PVDF复合,制备出复合固态电解质并研究其性能,具体的研究内容如下:(1)基于目前LLZO固态电解质的制备工艺,针对其制备复杂、煅烧时间长温度高的问题,采用静电纺丝法制备LLZO纳米纤维。为获得形貌更好的纳米纤维,进一步研究聚合物浓度、热处理条件对LLZO纳米纤维的微观形貌和晶相的影响。总结了静电纺丝中遇到的问题及其解决方案。实验表明聚合物参数、溶液参数、过程控制、溶剂参数和环境等因素,将协同影响静电纺丝结果。对于PVP-硝酸盐-DMF/乙酸体系制备的LLZO纳米纤维,当PVP含量为11 wt%,硝酸盐含量为15 wt%时,煅烧温度为750℃,煅烧时间2 h,得到的LLZO纳米纤维微观形貌最佳。(2)基于目前固态聚合物电解质和无机电解质的各自缺点,通过制备复合电解质解决。采用流延法制备了LLZO-PVDF-Li TFSI电解质片。为了提高复合电解质的离子电导率,研究LLZO掺杂形态(LLZO纳米纤维、LLZO颗粒),掺杂含量对复合固态电解质离子电导率的影响。当LLZO纳米纤维的掺杂量达到20wt%时,LLZO纳米纤维-PVDF-Li TFSI电解质片的离子电导率能达到1.37×10-4S/cm。
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