摘要
锂离子电池被认为是下一代电动汽车和插电式混合动力汽车最有前途的电池之一，因为它们具有高能量密度、高效率、长循环寿命和环保性等优点。这些日益严格的需求对锂离子电池的能量密度和安全性能提出了更高的要求。然而，由于使用易挥发和易燃性的液体电解质，传统的锂离子电池通常存在容量有限、电化学稳定性不足和严重的安全隐患等问题。与传统的液态电池相比，全固态电池因其质量和体积能量密度高、工作温度范围大、循环寿命长、安全性高等潜在优势而受到高度关注。 石榴石型氧化物固体电解质Li7La3Zr2O12(LLZO)因其在室温下的高离子电导率和较宽的电化学稳定性窗口而受到越来越多的关注。然而，LLZO的刚性限制了其加工特性，并导致固态电解质与电极之间的界面接触不良。而且，由于锂的不均匀溶解和沉积，锂枝晶仍能穿透氧化物固体电解质，导致电池严重短路。聚合物固体电解质优异的稳定性和柔韧性可以与LLZO起到很好的互补作用，这激发了我们对相应的复合固态电解质(CSE)的兴趣。在聚合物固体电解质中，选择PVDF-HFP是因为它具有稍好的离子电导率、良好的热稳定性和无定形相(-HFP)。但我们必须解决聚合物离子电导率太低和电化学稳定性较差的问题。在这项工作中，我们使用PVDF-HFP作为基质，并将其与少量Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)纳米颗粒结合。我们还添加了一定量的琥珀腈(SN)和双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)，以提高CSE的性能。我们对CSE的制备过程进行了完整的探索，并对它进行了物性表征和电化学测试。基于PVDF-HFP的高性能CSE为室温全固态锂金属电池提供了新的令人满意的选择。本文的研究内容主要包括以下几个方面: 1.我们系统地研究了每一种添加剂的含量，得到了含有43.6wt％PVDF-HFP、29.1wt％LiTFSI、18.2wt％SN、9.1wt％LLZTO的CSE。此外，我们利用XRD、SEM、EDS、TGA、FTIR等手段对制备的电解质膜进行了表征，讨论了其离子传输机理。在整个电解质系统中，LiTFSI提供了高浓度的Li+源，SN显著促进了聚合物的链段运动，LLZTO构建了高速的离子迁移通道，而各组分间的分子间相互作用稳定了改性结果。 2.我们对该CSE进行了电化学测试。CSE在室温下达到4.05×10-4S/cm-1的高离子电导率和O.43的锂离子迁移数。对称电池的临界电流密度为1.5mA/cm2，并且可以在O.1mA/cm2下稳定循环超过1000小时而不发生短路和界面阻抗的增加。此外，CSE的电化学稳定窗口达到4.70V，抗氧化能力较好。以上结果说明CSE具有优异的锂离子传输特性和对锂稳定性。 3.我们组装了全固态电池，CSE在充放电循环中的电化学稳定性良好，并具备在高电压下服役的能力。 这些结果表明，这种CSE具有非凡的电化学性能，这项工作可能指导未来复合固态电解质的改进和柔性全固态锂金属电池的探索。
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