摘要
锂金属电池因其高的理论比容量和低的化学电位等优点成为下一代锂电池的重点研究方向。然而，锂金属电池易与液态有机电解液发生副反应，存在锂枝晶生长不可控、隔膜易刺穿、电解液易泄漏等问题。固态电解质（SSE）因没有液态有机成分有望从根本上解决上述问题。其中聚合物体系中碳酸酯电解质具有良好的电化学稳定性和易聚合成膜的优势，可以解决锂金属电池中存在的安全问题。但针对碳酸酯基体系的电解质存在离子电导率低和界面性能差的问题，本文提出以聚酰亚胺（PI）隔膜作为支撑，采用两种碳酸酯单体作为基体，聚乙烯醇作为溶剂溶解锂盐，并加入石榴石型氧化物Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12（LLZTO）颗粒来制备复合固态电解质，具体内容如下： 1、采用原位聚合方法，以聚酰亚胺（PI）隔膜作为支撑，两种丙烯酸酯单体（HDDA-TMPTMA）作为聚合物基体，使用聚乙烯醇（PEG）溶解锂盐，制备成PEG-HDDA-TMPTMA-LiTFSI（PHTL）电解质。为提高电池的循环稳定性，在PHTL前驱体溶液中添加氟代碳酸乙烯酯（FEC）制备成PHTL-FEC电解质，并研究FEC的不同添加量对电解质的离子电导率、电化学窗口和锂离子迁移数等性能的影响。FEC添加量为10%时的电解质（PHTL-10%FEC）性能最优，离子电导率为1.67×10?5S·cm-1，电化学窗口是5.46V，锂离子迁移数为0.52，电池能够在0.2mA·cm-2的电流密度下稳定循环260h不发生短路。 2、为进一步研究优化后的聚合物电解质与不同电极材料的适配性，将聚合物电解质PHTL-FEC分别与LiFePO4(LFP)、LiCoO2(LCO)、NCM622三种正极材料和金属锂组装成电池，其中LFP|PHTL-FEC|Li以0.2C倍率循环180次后，放电比容量为120.3mAh·g-1，容量保持率高达90.52%。正极界面改性之后的LCO|PHTL-10%FEC|Li电池以0.2C倍率循环首圈放电比容量为122.8mAh·g-1，100次循环后的放电比容量能维持在120mAh·g-1左右，循环保持率可达97.7%。 3、为进一步改善聚合物电解质的倍率性能和与电极材料界面相容性，在基体电解质的基础上添加Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12（LLZTO）和FEC进行改性制备复合固态电解质，并分别探究了不同LLZTO添加量对复合电解质的离子电导率、电化学窗口和锂离子迁移数等性能的影响。结果表明，当LLZTO添加量为15%时，复合固态电解质具有较好的离子电导率（1.2×10?4S·cm?1），最高的电化学窗口（5.26V）和锂离子迁移数（0.62）。以PHTL-FEC-15%LLZTO为电解质组装成锂对称电池，Li|PHTL-FEC-15%LLZTO|Li电池在0.2mA·cm–2的电流密度下，可以在–15~15mV电压范围内稳定循环500h，说明其具有稳定的长循环寿命，这主要是因为PHTL-FEC-15%LLZTO和Li电极发生反应，在负极界面处生成了一层富含LiF的SEI层，改善了界面相容性。
NETL