LATP无机电解质的界面调控及全固态锂电池性能研究

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目前,锂离子电池广泛应用于电子设备、电动汽车等领域,但液态电解质存在泄露甚至自燃的风险,安全性差,限制了其进一步发展。使用无机固态电解质的全固态锂金属电池具有高安全性、高能量密度等优点,被认为是锂离子电池的有效替代。NASICON型无机电解质Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)具有高锂离子电导率、宽电化学窗口及高环境稳定性,是理想的固态电解质材料。然而,LATP中的Ti4+易被Li负极还原为Ti3+造成电解质失活,另外LATP与电极的不良接触还会导致高界面阻抗。为解决上述问题,本文对LATP进行了修饰改性和结构调控,首先采用聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物电解质对LATP陶瓷片进行界面改性,提升LATP/Li的界面相容性。然后将多界面的三维(3D)LATP与交联聚合物电解质原位复合,获得电化学性能优异的复合电解质,同时解决电解质/电极界面问题。具体研究内容如下:(1)采用柔性的PVDF聚合物对LATP陶瓷片进行双界面改性。测试结果表明,PVDF聚合物层的引入可提升LATP/Li的界面相容性,降低Li/Li对称电池的界面阻抗(5789Ω→271Ω),阻止Li负极与LATP发生副反应,并且在0.1 mAcm-2电流密度下电池可稳定运行超3000 h,并保持30 m V的低极化电压。此外,改性后的LiFePO4/Li全固态电池实现了超300圈的高效稳定循环,容量保持率为83.4%。(2)采用原位复合策略,使聚合物填充并包覆3D LATP骨架,形成3D复合电解质。结果表明,该复合电解质具有7.97×10-4 Scm-1的高离子电导率与5 V的宽电化学窗口。其Li/Li对称电池具有116Ω的低界面阻抗,在0.1 mAcm-2电流密度下可稳定运行500 h,并且未发生LATP与Li的副反应。原位集成的LiFePO4/Li全固态电池的初始放电容量高达166.1 mAhg-1,在0.5 C下可稳定循环超100圈。
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