【摘 要】
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Na+电池由于高安全性、高能量密度、低制备成本成为替代Li+电池发展的重要储能设备。电解质作为Na+电池的重要组成部件,它的结构与性能直接关乎Na+电池的安全、稳定、高效运行,因此,对电解质结构与性能的研究成为目前的重点。在电解质材料的各项性能中,离子电导率被认为是评价电解质材料优劣最基本且最重要的衡量因素,因此对电解质离子电导率的优化问题亟待解决。本文以NASICON型材料Na Zr2P3O12
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Na+电池由于高安全性、高能量密度、低制备成本成为替代Li+电池发展的重要储能设备。电解质作为Na+电池的重要组成部件,它的结构与性能直接关乎Na+电池的安全、稳定、高效运行,因此,对电解质结构与性能的研究成为目前的重点。在电解质材料的各项性能中,离子电导率被认为是评价电解质材料优劣最基本且最重要的衡量因素,因此对电解质离子电导率的优化问题亟待解决。本文以NASICON型材料Na Zr2P3O12(NZP)为研究对象,利用异价离子掺杂的方式对NZP结构中不同晶格位点进行掺杂改性,并结合XRD、Raman、FTIR、SEM-EDS、Density和EIS多种测试方法,探究了不同制备工艺、掺杂位点、掺杂离子种类和掺杂量对Na Zr2P3O12固态电解质物相组成、分子结构、微观形貌、致密度、离子电导率和活化能的影响以及他们之间的联系。主要的研究内容和结果分为以下几个部分:(1)NZP陶瓷电解质Zr4+晶格位改性研究。本章利用微波烧结技术,选取Fe3+作为掺杂离子,通过“一步法”和“两步法”分别制备了与实验设计相一致的Na1+xZr2-xFexP3O12(x=0~0.4)陶瓷电解质。XRD及结构精修、Raman等测试结果表明:Fe3+成功进入Zr4+晶格位,形成了Na1+xZr2-xFexP3-xO12(NZFP)固溶体,且制备的NZFP电解质结构致密,元素分布均匀。当微波烧结温度为950℃时,随着Fe3+含量的增加,两种方法制备的NZFP电解质的室温离子电导率逐渐增大,这表明Fe3+的引入有利于NZP电解质离子电导率的提高。当Fe3+掺量为0.3/0.4时,两种方法制备的NZFP样品的离子电导率均达到最大,约为7×10-6S·cm-1,其对应活化能低至0.51 e V。(2)NZP陶瓷电解质P5+晶格位改性研究。本实验采用微波辅助固相法制备了Na1+yZr2SiyP3-yO12(y=2,Na3Zr2Si2PO12,简称NZSP)电解质,并探究了不同烧结温度(1050℃~1150℃)对NZSP样品物相组成、微观结构、致密度和离子电导率的影响。XRD结果表明,经1050℃微波烧结2 h后,成功制备出结晶度较高的NZSP电解质。随着烧结温度的升高,NZSP样品的致密度和室温离子电导率逐渐增大。当烧结温度为1125°C时,NZSP电解质的室温离子电导率达到最大,为5.26×10-4 S·cm-1。此外,本文还研究了助烧剂Na F含量(0 wt.%,0.2 wt.%,0.4 wt.%,0.6 wt.%,0.8 wt.%)对NZSP样品致密化和离子电导率的影响。结果表明,Na F的加入不仅提高了NZSP样品的密度,而且有利于电解质样品离子电导率的提高。当Na F含量为0.2 wt.%时,NZSP+0.2 wt.%Na F陶瓷电解质的室温离子电导率高达6.02×10-4 S·cm-1,其对应活化能为0.29 e V,这表明Na+在NZSP+0.2 wt.%Na F晶体结构中迁移所需克服的势能较低。(3)NZP陶瓷电解质Zr4+/P5+双晶格位改性研究。在上述实验基础上,本文设计并制备出化学组成为Na1+x+yZr2-xMxSiyP3-yO12(y=2,M=Fe3+/La3+,NZMSP)的陶瓷电解质。当M为Fe3+(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)时,Fe3+与Si4+可以分别进入Zr4+晶格位和P5+晶格位,形成结构致密的Na3+xZr2-xFexSi2PO12电解质;但由于Zr O2杂质的存在,NZFSP电解质的离子电导率变化不明显。当烧结温度为1075℃时,Na3.2Zr1.8Fe0.2Si2PO12样品的室温离子电导率为2.46×10-4 S·cm-1,对应活化能为0.27 e V。此外,本实验还研究了La3+(x=0、0.05、0.1、0.15、0.2)对NZSP样品的影响。结果表明,掺杂离子La3+并未进入Zr4+晶格位,而是以Na3La(PO4)2的形式存在于NZSP电解质中,且Na3La(PO4)2的存在有利于NZSP样品离子电导率的提高。随着La3+含量的增加,Na3+xZr2-xLaxSi2PO12(NZLSP)电解质的室温离子电导率逐渐提高,当x=0.2时,NZLSP样品的离子电导率达到最大,为1.17×10-3 S·cm-1,其对应活化能也低至0.31 e V。
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