摘要
金属锂以其极高的容量和超低的氧化还原电势，是下一代高能量电池负极的首选。然而，常规有机电解液在电池充放电过程中容易分解，其本身的易挥发和可燃性都不利于在锂离子电池的安全使用。使用固体电解质构筑的全固态锂离子电池有望从根本上解决上述问题，其本身具有优秀的机械强度，可以有效阻挡锂枝晶穿刺。 目前普遍采用无机陶瓷材料或有机聚合物材料做为固态电解质。相比于前者，聚合物具有一定的柔韧性，能够兼容循环过程中电极的形变，有效减少“固-固”界面电阻。然而，其本身结晶性高、室温离子电导率低等性能缺陷限制了聚合物电解质在金属锂电池中的应用。将有机聚合物电解质和无机陶瓷固态电解质相结合组成复合固态电解质，在一定程度上可以降低聚合物的结晶度，从而提高电解质电导率，既整合二者的优点，同时又规避二者的缺点。但是零维、一维和二维无机填料的添加对提高复合电解质电导率的贡献有限，进一步增加无机填料的含量将导致颗粒趋于团聚，甚至可能使离子电导率下降。此外，无机填料之间被聚合物分隔，无法形成连续且快速的离子传输通道，进一步限制了复合固态电解质电导率的提升。因此，本论文通过模板法，制备了具有离子连续传输通道的3D复合固态电解质。具体研究工作如下： （1）我们以NaCl为模板，在不使用粘结剂的条件下，制备了一种具有3D网络结构的L ATP骨架，通过向里面加入PIL聚合物形成了3D复合固态电解质（CSE）。多孔LATP作为刚性骨架能够机械抑制锂枝晶的生长，而3D网络结构则为Li+提供快速传输通道，形成了具有Li+快速传输网络和高机械强度的功能化复合电解质。室温下CSE-2离子电导率高达1.59× 10-4 S cm-1；在电流密度为0.05 mA cm-2时，Li|CSE-2|Li对称电池可以稳定循环600 h，极化电压为110 mV，对锂枝晶具有良好的抑制作用。所组装的Li|CSE-2|LFP电池在电流密度0. 2 C下能够稳定循环150次，比容量仍可保持在109.9 mAh g-1，容量保持率为90.5%。 （2）针对上章内容中成片率低和造孔难的问题，我们对实验过程进行优化，选取三聚氰胺海绵为支撑，采用冰模板法制备出了具有连续通道的多孔LATP骨架，与PIL结合得到3D复合固态电解质（CSE）。通过调节H2O和LATP的含量来调控LATP的骨架，实验结果表明，当H2O:LATP=1.5:1.2（CSE-3），所制备的CSE具有优异的室温离子电导率（8.73×10-4 S cm-1）和锂离子迁移数（tLi+=0.67）。得益于LATP骨架的机械模量和连续的Li+快速传输通道，所组装的Li|Li对称电池能平稳运行1000 h，过电位约为200 mV。当将其应用于LF P电池中，在电流密度0.2 C下，首圈放电比容量高达141.3 mAh g-1；经过200次循环后，放电比容量仍有107.3 mAh g-1，容量保持率75.9%，显示出良好的电化学性能。
NETL