全固态厚膜锂电池的研究

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近年来,全固态锂电池因其高安全性和高能量密度等优势得到了广泛关注。其中,全固态薄膜锂电池是目前唯一能够商业化的全固态锂电池,但由于高成本的正极制备工艺及较低的单体电池容量,仅适合应用在微电子器件领域。全固态厚膜锂电池克服其缺点,通过经济高效的涂覆法制备厚膜正极,再采用全固态薄膜锂电池中的物理气相沉积方法制备薄膜电解质及薄膜负极。所得到的全固态厚膜锂电池不仅节约制备成本,而且大幅度提高充放电容量,有利于拓宽其应用范围。在此基础上,还研究添加界面缓冲层对厚膜电池性能的影响。主要研究内容具体如下:(1)研究正极厚膜极片冷压压力、负极薄膜厚度和电池工作温度对厚膜电池的形貌结构及电化学性能的影响。在正极制备过程中,对极片施加压力可以有效降低正极表面粗糙度及所组装的厚膜电池阻抗,施加40 MPa压强比10 MPa具有更优的电化学性能。升高测试温度可以明显提高其放电比容量,60℃下相较于25℃提高了62.1 m Ah/g,主要原因在于复合厚膜正极及电解质薄膜在高温下表现出更高的离子电导率。60℃下,厚膜电池负极结构破坏更严重,导致容量衰减明显。通过增加负极薄膜厚度,可以稳定负极结构,提高循环稳定性。(2)通过分析厚膜电池失效后的微观形貌,发现厚膜电池的失效机制主要为锂负极薄膜的破坏和负极-电解质界面结构的崩溃。负极薄膜增厚可以有效延缓负极结构的破坏速度,延长循环寿命。(3)为提高厚膜电池的循环稳定性,在负极-电解质界面通过直流磁控溅射引入金属铝界面层,稳定界面结构,有效提升厚膜电池的电化学性能。60℃、0.2 C下,Li FPO4正极释放144.4 m Ah/g放电比容量,在经过100次循环后,厚膜电池的容量保持率由改性前21.1%提升至76.2%,循环至200周时,仍有104.4 m Ah/g(72.3%容量保持率)。循环前的阻抗值为850Ω,循环50周后的阻抗值为592Ω,远低于未改性样品的4000Ω和5800Ω。5 C倍率下仍有45.4%的容量保持率。随后制备基于熔融锂负极厚膜的厚膜电池,首周释放出86%的理论比容量,但熔融锂过程导致无机电解质膜破坏,电池快速出现短路失效现象,后续需要开发更稳定的界面层或兼容性更强的负极制备工艺。
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