《鋰離子無機固體電解質Li3xLa2/3-xTiO3和Li7La3Zr2O12電性能提高的研究》是依託清華大學，由耿紅霞擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鋰離子無機固體電解質Li3xLa2/3-xTiO3和Li7La3Zr2O12電性能提高的研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：耿紅霞
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
該項目利用固相反應法和溶膠凝膠法等工藝製備出在鋰離子電池中非常具有潛在套用價值的LLTO（Li3xLa2/3-xTiO3）和LLZO（Li7La3Zr2O12）無機固體電解質。利用XRD、SEM、XPS、ICP和電化學工作站等實驗手段表征分析其晶體結構、微觀結構與電性能之間的關係，從晶體結構、晶界結構和離子傳導機制的角度總結出LLTO和LLZO的導電規律，找到兩者導電機理存在差異的原因，從而獲得能夠有效提高無機固體電解質電導率的理論基礎。在此基礎上，引入合適的第二相進行包覆型複合，設計和調控晶界結構，進而提高電導率；利用合適的元素原子對LLTO摻雜改性，以達到提高電導率的目的；最後利用最佳化後的電解質組裝三明治結構的全固態鋰電池，測試評價其電化學性能。該研究項目對解決當前鋰電池普遍存在的安全隱患、提高鋰電池安全性和促進鋰電池產業進步具有重要的實踐意義和科學意義。
結題摘要
鋰離子二次電池由於其顯著的優越性和潛在的套用價值，在各種新能源中備受矚目。當前商用鋰離子電池的電解質主要採用電解液或有機聚合物，安全隱患（爆炸、起火和漏液等事故）較大，採用無機固體電解質可有效解決此問題，該類電解質具有廣泛的套用前景，成為當前鋰電池行業的一個研究熱點。 本項目圍繞LLTO（Li3xLa2/3-xTiO3）和LLZO（Li7La3Zr2O12）製備工藝、晶體結構、微觀結構、鋰離子濃度、鋰離子電導性能以及它們之間的關係展開研究。 (1)採用復阻抗譜方法研究了Li0.5La0.5TiO3 (LLTO) - Li3PO4複合電解質的電導率。利用XRD、SEM和相對緻密度等實驗手段研究了第二相Li3PO4在LLTO基體上的分散複合。發現，該第二相的加入降低了鋰離子電導率，儘管非晶態的Li3PO4使得LLTO的緻密性變好，揭示了鋰離子電導率的變化主要和LLTO晶體結構、晶界處的微觀形貌和鋰離子濃度有關。 (2)確定了LLZO的形成機理。結果表明：當不使用保護粉時，在680-720℃反應形成四方LLZO；隨著溫度升高，鋰揮發加劇，四方LLZO逐漸分解為La2Zr2O7。當使用保護粉時，四方LLZO在1100℃仍可穩定存在，並在高溫下轉變為立方LLZO。為彌補高溫燒結過程中的鋰元素揮發，因而採用了保護粉方式燒結。當燒結溫度約為1230℃時，獲得了較緻密的立方LLZO陶瓷，其室溫電導率約為3.5910-4S·cm-1。 在LLTO電解質基體中複合多種形式的LLZO成分，製備了LLTO基複合電解質。作為添加物的LLZO成分在熱處理過程中發生了分解，分解產物參與了LLTO基體晶界處發生的Li、Zr、La、Ti和O五種元素之間的複雜協同效應，提高了晶界區域載流子濃度和空位濃度，通過空間電荷層效應提高基體的晶界電導率和總電導率。複合5wt%LLZO的樣品室溫總電導率達到了最高，超過了純相LLTO樣品總電導率的2倍。 (3)在鋯元素位置摻雜Ta元素，可起到穩定立方結構和提高電導率的作用。表明，經過1150℃燒結製備Ta摻雜LLZO的電導率比未摻雜樣品提高了約一個數量級。 (4)通過製作LLZO全固態半電池，發現，LLZO與商用電極材料鈷酸鋰或富鋰錳酸鋰之間均具有良好的電化學穩定性。 該研究項目對解決當前鋰電池普遍存在的安全隱患、提高鋰電池安全和促進鋰電池產業進步具有重要意義。
