基于无机快离子导体LATP的复合电解质的制备及性能研究

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用于锂离子电池的常规液体电解质通常有不可逆的分解和安全问题,固态电解质被认为是改进锂离子电池能量密度和安全性的关键。将聚合物电解质和无机固体电解质结合被认为是一种获得高性能固体复合电解质的可行策略。有机-无机复合电解质通常由聚合物基体、无机惰性陶瓷填料或陶瓷快离子导体组成,它们可以结合聚合物和无机电解质的优点,具有出色的机械性能、高离子电导率和良好的界面稳定性。本文选用了具有NASICON结构的无机固体电解质Li1+xAlxTi2-x(PO43为研究对象,以溶胶凝胶法成功的合成了Li1+xAlxTi2-x(PO43,并将其掺入到PVDF/PMMA和PVDF/TPU聚合物基体中,成功制备了复合电解质,并且对其进行相关测试,选出了最佳的合成条件。结果如下:1. 采用一种溶胶凝胶法合成了无机固体电解质Li1+xAlxTi2-x(PO43,探究了不同合成条件对LATP电化学性能的影响,找出了最优的合成条件:Al掺入摩尔分数为x=0.3(Li1.3Al0.7Ti1.7(PO43),煅烧温度为900℃,烧结时间为4 h。2. 选用PVDF/PMMA聚合物作为基体,通过掺入不同质量分数的LATP,成功制备了复合电解质(简写为LPP)。通过相关的表征和测试我们选出了最优的LATP掺入量为4%。掺入4%质量分数LATP的复合电解质,无机粒子在膜中分布较为均匀。掺入LATP后,复合电解质的热稳定性得到了提升,结晶度降低。复合电解质具有较高的吸液率。在室温下和80℃时电导率分别为0.842×10-3 S cm-1和1.645×10-3 S cm-1。添加了无机颗粒LATP的复合电解质膜电化学窗口均在5 V以上,界面稳定性好,能满足市面所有锂离子电池的工作需求。组装Li Fe PO4/复合电解质膜/Li的扣式电池,在0.1 C倍率下,LPP-4电池表现出最高的首次放电比容量147.5 m Ah g-1,50次循环后的放电比容量还有132.3 m Ah g-1,容量保持率为89.6%,库伦效率将近100%。3. 选用以PVDF/TPU作为聚合物基体,通过掺入不同质量分数的LATP成功制备复合电解质(简写为LPT)。通过相关表征和测试,选出了最佳的LATP掺入量为3%。掺入LATP后的复合电解质热稳定性更佳,复合电解质在室温下的电导率为2.97×10-3S cm-1,80℃时的电导率为4.23×10-3 S cm-1。所有复合电解质样品的电化学窗口均高于5 V(vs.Li/Li+)。0.1 C倍率下,LPT-3电池的首次放电比容量为167.2 m Ah g-1,库伦效率接近100%。经过50圈的循环后,容量保持率为78.6%。对电池进行不同倍率下的充放电和循环性能测试,结果也表明该电池在高倍率下依然有良好的电化学性能。
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