NASICON结构固体电解质掺杂改性和稳定性研究

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随着传统锂离子电池的大规模应用,其生产成本随着原材料的紧缺不断增加,同时还存在起火和爆炸等安全隐患。以钠离子固体电解质为核心的二次钠电池体系,较传统锂离子电池具有高能量密度、高安全性和低成本等优势,应用在能源领域潜力巨大,但低离子电导率和稳定性的钠离子固体电解质限制了二次钠电池体系的大规模应用。组成为Na3Zr2Si2PO12的NASICON结构固体电解质具有较高的离子电导率和稳定性,是最有应用潜力的钠离子固体电解质之一。然而,NASICON结构固体电解质通常采用高温固相法制备,高温下Na和P元素的挥发会导致ZrO2杂相的析出,降低离子电导率;同时,NASICON结构固体电解质应用在二次钠电池体系中的稳定性逐渐受到质疑。本文通过改进制备工艺,优化煅烧参数,确定了冷等静压–高温固相法制备NASICON结构固体电解质的最佳煅烧结条件为1225℃,15 h;制备得到高纯度NASICON结构固体电解质,室温离子电导率可达2.64×10–3 S/cm。在此基础上,稀土元素La和Y被掺杂在NASICON结构固体电解质结构中。结果表明,NASICON结构固体电解质掺杂稀土元素后,增加了致密度和迁移离子浓度,增大了钠离子传输通道,掺杂La和Y元素后NASICON结构固体电解质离子电导率分别提高到6.71×10-3 S/cm和4.35×10-3 S/cm。初步研究了NASICON结构固体电解质在碱性溶液(pH=14、11、9、7)中的稳定性发现,NASICON结构固体电解质在碱性溶液中发生腐蚀的实质是H3O+占据了NASICON结构中Na+的传输空位,而阻塞了钠离子传输通道,导致体阻抗增加,使晶粒发生变形分解导致晶界阻抗和新晶界阻抗增加;随着浸泡时间的增加,溶液pH值越低,腐蚀越严重;将NASICON结构固体电解质浸泡在pH=7的溶液中50天后,离子电导率降低到1.73×10-3 S/cm。本文制得的高离子电导率NASICON结构固体电解质为其在室温下广泛应用于能源领域奠定了基础,通过研究NASICON结构固体电解质在碱性溶液中的腐蚀机理,为提高无机固体电解质稳定性提供了理论依据。
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