高性能NASICON型无机固体电解质及全固态电池的研究

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目前市场上的锂离子电池大多采用有机液体作电解质,存在易燃、易爆、化学稳定性差等诸多安全隐患。并且,随着锂的逐渐消耗,造成其资源短缺及价格上涨。而金属钠具有在自然界储量丰富、价格低廉等优点,由钠离子构成的电池工作原理与锂离子电池类似,因此,钠离子电池是未来很有前途的一种能量储存系统。本研究利用溶液辅助固相反应法首先制备了VO43-和Si O44-掺杂的Na3Sc2(PO43-x(VO4x(x=0~1.0)和Na3+ySc2(PO43-y(Si O4y(y=0.2~0.8)的钠离子固体电解质,研究材料的离子传导特性。其次,通过溶液法制备了碳包覆硫/聚丙烯腈(C@S/PAN)复合正极材料。然后,将其与Na3Sc2(PO42.5(VO40.5固体电解质组装成全固态Na-S电池,并对电池的构造和电化学性能进行了表征,得出如下结论:(1)利用溶液辅助固相反应法,以VO43-和Si O44-取代Na3Sc2(PO43化合物中的PO43-阴离子,都能形成以β-Na3Sc2(PO43相为主的产物,但其中会存在少量的Sc2O3和未知相。并且,VO43-的掺杂浓度(0~1.0)大于Si O44-掺杂浓度(0.2~0.8)。(2)随着掺杂离子浓度的增加,材料的离子电导率呈现一个先升高后降低的趋势,且VO43-掺杂的结果优于Si O44-。其中,当VO43-掺杂量为0.5时,材料室温离子电导率达到最大值(σ298=2.58×10-2 S·m-1)。这一电导率数值比未掺杂样品提高了一个多数量级,比传统固相反应法制备的Na3Sc2(PO43提高了两个数量级。(3)具有壳-核结构的C@S/PAN复合正极材料为尺寸细小且形状规则的球状结构。将该正极材料、锂片以及电解液组装成电池,在室温进行充放电。以0.1 C倍率进行200次循环后放电容量仍保持在1025 m Ah·g-1;在0.1 C~1 C~0.1 C进行倍率性能测试,最后的放电容量仍能恢复到初始容量的91%。说明这种复合材料具有良好的电化学性能以及结构稳定性。(4)将C@S/PAN正极材料、Na3Sc2(PO42.5(VO40.5固体电解质以及金属Na组装成全固态Na-S电池。在50℃和0.02 m A·cm-2低电流密度下,其首次放电容量仅有37m Ah·g-1。在正极片与固体电解质之间滴加少许Na PF6液态电解质,可以改善两者的接触状况,电池的电化学性能得到很大改善。在室温,0.6 m A·cm-2电流密度下的首次放电容量为167 m Ah·g-1,10次充放电循环后的容量为29 m Ah·g-1;当电流密度提高到0.9 m A·cm-2时,首次放电容量可达到140 m Ah·g-1。综上,将阴离子掺杂与溶液辅助固相反应法结合是改善Na3Sc2(PO43离子电导率的有效措施。然而,目前获得的试验结果仍难以满足大容量、高能量密度全固态Na-S电池的技术需求,这就要求我们进一步探索离子电导率更高的新型固体电解质材料。
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