LiBH4基固态电解质的制备、结构与电导率特性

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全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本上解决电池的安全性问题,同时还能进一步提升锂电池的能量密度和循环寿命,契合未来锂离子电池高安全和高能量密度的发展方向。本文中所述硼氢化锂固态电解质与其他固态电解质相比具有高温离子电导率高,电化学窗口宽,与电极材料相容性好,热稳定性高等优点。然而与全固态电解质可达应用的标准相比,该体系仍然存在一定的差距。原因在于:该体系室温离子电导率仍然达不到使用要求,未在全固态电池领域发挥作用。针对以上问题,本论文拟从以下几个方面对硼氢化锂进行研究:(1)利用方便简单的机械球磨法合成复合物,制备出LiBH4-NaBH4复合物。通过调配LiBH4和NaBH4的相对含量,探究出LiBH4-NaBH4低共熔复合物体系的最优配比(摩尔比)为LiBH4:NaBH4=4:1。4LiBH4-NaBH4在该体系中相转变温度最低(373 K),室温锂离子电导率最高(2.0?10-6 S cm-1),比纯LiBH4相的室温电导率高出两个数量级(10-8 S cm-1),反应活化能最低(0.8029 eV)。同时4LiBH4-NaBH4复合物在5次电化学循环之后能够稳定在4.5 V左右,电势窗口宽;(2)将不同比例MgH2添加入球磨过的4LiBH4-NaBH4,获得三元复合物。当添加量为30wt.%时样品的室温离子电导率可达到2.01?10-6 S cm-1,比纯LiBH4相室温离子电导率高两个数量级以上(10-8 S cm-1),且比二元相4NaBH4-LiBH4高。主要是因为球磨过程增加了三元相之间晶界的无序度,有助于锂离子的传输;(3)将LiBH4与NaCl/NaI复合,当LiBH4:NaI=2:1时室温离子电导率最高为1.28?10-6 S cm-1,是单纯的LiBH4室温离子电导率的100倍。同时,根据体系中所有样品相转变温度的对比,样品2LiBH4-NaI的相转变温度为365 K,比纯LiBH4相转变温度低17 K。这主要是因为球磨后,LiBH4-NaX(X=Cl,I)初相发生离子交换反应,形成了LiBH4-NaBH4低共熔复合物与Li(BH41-yXy固溶体。在二者的协同作用下,体系的离子电导率得以提升。
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