新型锂离子陶瓷电解质的制备及其相关应用研究

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1、硕士学位论文新型锂离子陶瓷电解质的制备及其相关应用研究作者姓名胡智超学科专业微电子学与固体电子学指导教师胡星副教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年6月FabricationandtheapplicationsofnewLi-ionceramicelectrolytesADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：HuZhiChaoSupervisor：Prof.HuXingSouthChinaUniversityofTechnologyGuan

2、gzhou,China分类号：TM911.3学校代号：10561学号：201520115988华南理工大学硕士学位论文新型锂离子陶瓷电解质的制备及其相关应用研究作者姓名：胡智超指导教师姓名、职称：胡星副教授申请学位级别：硕士学科专业名称：微电子学与固体电子学研究方向：固体电介质及应用电子技术论文提交日期：2018年04月23日论文答辩日期：2018年5月30日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：凌志远委员：胡星李屹摘要固体电解质在锂离子电池、燃料电池、气体传感器、电致变色器件等领域都有

3、着重要作用。开发固体电解质的新应用，以及开发新型固体电解质以满足新的社会需求具有非常重要的现实意义。本文研究了复合锂离子固体电解质Li1.3Al0.3Ti1.7P3O12(LATP)/LiMnPO4(LMP)陶瓷对pH值敏感的变色特性，并开发了无变价元素的新型固体电解质LiMg2P3O10以解决与金属锂兼容性问题，具体内容如下：本文首先采用固相法合成了LATP/LMP复合固体电解质陶瓷，LATP与LMP材料的高温化学相容性好，LMP的掺入大幅度降低了LATP烧结致密温度。复合固体电解质陶瓷展现出较鲜艳的紫色，实验证明

4、其是一种pH值敏感的可逆变色材料，在pH=13或以上的碱性溶液中能有较快的变色响应，且在pH=1溶液中5min内有明显逆变色响应。不同阳离子对其变色有不同影响，在富含钠离子的碱性溶液中陶瓷响应最快。机理研究表明在碱性条件下LATP和LMP发生了氧化还原反应，Ti和Mn的价态发生变化造成变色，电极材料和电解质材料的共存是保证陶瓷pH敏感的必要条件。同时电场诱导可以加速陶瓷样品在弱碱性溶液中的颜色变化。为寻找无变价元素新型锂离子固体电解质，在无变价元素Li2O-xMgO-3P2O5体系(x=2，3，4，6，8)进行了研究

5、，构建了局部相图，获得了新相LiMg2P3O10，XRD分析表明其为单斜结构，空间群P21/m，晶体结构为MgO6八面体链与共顶的PO4四面体链构建而成，其中锂离子位于与b轴平行的通道内；通过键价错配理论讨论了LiMg2P3O10作为固体电解质的离子迁移通道，结果表明锂离子有望沿b轴方向迁移，在锂离子固体电解质上有潜在应用；针对化学计量比LiMg2P3O10陶瓷难以获得单相、离子电导率较小的情况，在镁过量的非化学计量比LiMg2P3O10的陶瓷中，合成了单相陶瓷，其中-5-1LiMg2.05P3O10.05的陶瓷具有

6、更高的电导率，室温下最高可达1.04×10Scm，由于其不-1存在变价元素，因此有望用于全固体锂电池。同时，循环伏安测试表明，其在2mVs，-2可获得0.16mFcm的面积比电容，有望用于全固体超级电容器。关键词：锂离子固体电解质；变色材料；键价理论；锂固体电池；超级电容器IAbstractSolidelectrolyteplaysanimportantroleinlithium-ionbatteries,fuelcells,gassensors,electrochromicdevicesandotherfields

7、.Thedevelopmentofnewapplicationsofsolidelectrolytesandthedevelopmentofnewsolidelectrolytestomeetthenewsocialneedsareofgreatpracticalsignificance.Inpresentthesis,thecolorchangecharacteristicsofthecompositelithiumionsolidelectrolyteLi1.3Al0.3Ti1.7P3O12/LiMnPO4cer

8、amicsforpHvalueareinvestigated.AnewsolidelectrolyteLiMg2P3O10withoutvariablevalenceelementsisdevelopedtosolvetheproblemofcompatibilitywithlithiummetal.Thedetailsaredescribed