摘要
目前我国以煤炭、石油等化石燃料为主要能源，其属于不可再生能源，正日益枯竭，所以需要寻找一种绿色无污染且可再生的二次能源来解决能源枯竭的问题。然而，二次能源的利用需要配备一套储能设备，锂离子电池因其能量密度高，循环寿命长和自放电率低等优点而有望成为下一代储能设备之一。锂离子电池通常使用有机液态电解液，因而存在漏液、易燃、易爆的安全问题。相比而言，全固态锂离子电池使用无机固体电解质替代有机电解液，可避免以上安全隐患，同时也具有电化学稳定性好、能量密度大等优点。锂离子固体电解质作为全固态锂离子电池中不可或缺的部件，其性能对全固态锂离子电池有着重要影响。开发具有高离子电导率、低电子电导率、宽电化学窗口以及与电极之间稳定的固体电解质十分重要。因此，本文开展了钙钛矿型Li2x-ySr1-xTi1-yNbyO3固体电解质的研究并通过添加烧结助剂对其进行改性，实验得到以下结论: (1)实验采用高温固相反应法制备Li2x-ySr1-xTi1-yNbyO3(y=0.25，0.5，0.6，0.7，0.75，0.8，x=3y/4)固体电解质，通过XRD测试结果分析，表明当y=0.25，0.5，0.6，0.7，0.75时，其晶体结构为立方钙钛矿型结构，成功合成目标产物。对Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3固体电解质进行改性研究，分别添加质量分数为1％的Al2O3、Li3PO4、Li4SiO4、LiBO2、B2O3五种烧结助剂，XRD测试结果表明，均成功合成了具有立方钙钛矿型结构的目标产物。 (2)SEM表明，Li2x-ySr1-xTi1-yNbyO3固体电解质随着y值的增大，样品的晶粒逐渐增大，但当y=0.75时样品有明显的杂质相存在;采用阿基米德排水法测试得到，Li2x-ySr1-xTi1-yNbyO3固体电解质的密度随着y值的增加先增大后减少，Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3的相对密度最高为87.68％。添加Al2O3和B2O3的Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3固体电解质相对密度分别提高到91.17％和90.82％。 (3)采用恒电位极化法测试固体电解质的电子电导率，结果表明20℃时Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3的电子电导率为2.55×10-9S·cm-1。采用交流阻抗法测试固体电解质的离子电导率，结果表明Li2x-ySr1-xTi1-yNbyO3固体电解质的离子电导率随y值的增加先增大后减少，在测试温度为20-120℃时，Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3的离子电导率为3.62×10-5-7.08×10-4S·cm-1，活化能为0.29eV，可以看出Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3的电子电导率比其对应的离子电导率低4个数量级，可忽略不计。在测试温度为20-120℃时，添加Al2O3和B2O3的Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3固体电解质的离子电导率分别为4.73×10-5-7.61×10-4和4.19×10-5-4.57×10-4S·cm-1，均有所提高。而添加Li3PO4、Li4SiO4和LiBO2的Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3固体电解质的离子电导率均下降。 (4)将Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3固体电解质作为隔膜组装在LiFePO4/LiPF6/Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3固体电解质隔膜/LiPF6/Li的锂电池中，在0.2C倍率下测试其充放电性能，结果表明其首次放电比容量为103.5mAh·g-1，充放电100次后其放电容量仍能保持90.72％，库伦效率为97.85％。添加Al2O3的Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3固体电解质作为隔膜组装在LiFePO4/LiPF6/Al2O3-Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3固体电解质隔膜/LiPF6/Li的锂电池中，在0.2C倍率下测试其充放电性能，结果表明首次放电比容量提高了31.40％，可达到136.0mAh·g-1，充放电100次后容量保持率由90.72％提高到94.11％，且库伦效率由97.85％提高到99.53％，说明了固体电解质可作为隔膜应用于锂电池中。
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