基于固体电解质烧结片的全固态锂离子薄膜电池的研究

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1、摘要摘要随着科技的进步，小型化、轻量化的设备越来越多，人们对电池行业也提出了更高的要求。近几年来，锂离子二次电池由于高能量、长寿命、安全、环保等优点而成为人们关注的焦点。然而，锂离子电池的电解质材料大多为有机液体或聚合物，这使电池在一定程度上存在着安全隐患。为了缓解这种现状，本文对锂离子固体电解质材料Li1+xAlxTi2-x(PO4)3进行了一系列的研究，并研制了全固态锂离子薄膜电池。3+采用溶胶-凝胶法制备了Al掺杂的Li1+xAlxTi2-x(PO4)3（x=0～0.4）锂离子固体电解质。通过X-衍射、扫描电镜、电化学工作站等测试手段分析了3+Li1+xAlxTi2-x(PO4)3

2、体系的物相、表面形貌、离子电导率及活化能，探讨了Al的最佳掺杂量。结果表明：采用溶胶-凝胶法合成的Li1+xAlxTi2-x(PO4)3体系具有较好的结晶性，烧结片具有较高的离子电导率和较小的活化能，合成的粉末与烧结片之3+间的结晶性与结构差异不大。当Al掺杂量从0增加到0.3时，离子电导率逐渐增大，且到0.3时其值达到最大，但当掺杂量进一步增加时，离子电导率迅速下降。活化能的变化趋势则与离子电导率相反。通过改变Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3粉末和烧结片的烧结温度和时间，探讨了固体电解质烧结片的最佳热处理条件。结果表明：实验条件下制备的固体电解质Li1.3Al0.3Ti1.7

3、(PO4)3粉末和烧结片都具有较好的结晶性。Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3烧结片的离子电导率和活化能随着烧结条件的改变而呈现有规律的变化，其中，将900℃热处理2h的粉末压片，再经900℃煅烧2h制得的烧结片，其离子电导率最高（3.46-4-1×10S·cm）、活化能最低（0.2821eV），同时烧结片的表面也相对致密。向900℃热处理2h的Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3粉末中添加不同百分比的助溶剂Li3PO4。通过X-射线衍射、扫描电镜对产物的物相和表面形貌进行分析，并采用交流阻抗分析了产物的离子电导率和活化能。结果显示，在实验条件下，合成的粉末和烧结片都具有良

4、好的结晶性。所有烧结片的表面都有一些孔洞。然而，900℃热处理2h，添加量为1wt.%的烧结片相对比较致密。经电化学分析得知，添加量-4-1为1wt.%的烧结片在900℃热处理2h后有较高的离子电导率（5.35×10S·cm）和较低的活化能（0.2700eV）。采用一种新的工艺方法：喷雾热解法，成功研制了全固态锂离子薄膜电池LiMn2O4/Lil.3Al0.3Ti1.7(PO4)3/LiMn2O4、LiMn2O4/Lil.3Al0.3Ti1.7(PO4)3/Li4Ti5O12，并经过恒电流充放电的性能测试。同时，通过X-衍射探讨了合成LiMn2O4、Li4Ti5O12薄膜的化学计量比、热

5、处理温度和时间。结果表明：合成正极薄膜、负极薄膜的热处理条件分别为：600℃-10min、700℃-10min，且实验条件下LiMn2O4正极薄第i页摘要膜和Li4Ti5O12负极薄膜的前驱体配比分别为1.05∶2（乙酸锂∶乙酸锰）和8∶5（乙酸锂∶酞酸丁酯）。全固态锂离子薄膜电池LiMn2O4/Lil.3Al0.3Ti1.7(PO4)3/LiMn2O4和LiMn2O4/Lil.3Al0.3Ti1.7(PO4)3/Li4Ti5O12的常温恒电流充放电的电压平台分别在1.2V、2.4V左右。主题词：锂离子电池，固体电解质，Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3，LiMn2O4薄膜，Li

6、4Ti5O12薄膜第ii页ABSTRACTABSTRACTAlongwiththetechnologicaldevelopment,lithium-ionsecondarybatteries,boastingsuchmeritsashighcapacity,longcyclelife,environmental-friendlinessandhighsafety,havebeenwidelyappliedtoportableelectronicdevices.However,Itisdangerousthatmanysolidelectrolytematerialsareorganicl

7、iquidandpolymer.Soaseriesoflithium-ionsolidelectrolyteLi1+xAlxTi2-x(PO4)3aresynthesized.3+SolidelectrolyteLi1+xAlxTi2-x(PO4)3(x=0~0.4)dopedwithAlwaspreparedbysol-geltechnique.Phaseidentification,surfacemorphology,ionic