固体锂离子电池用电解质合成方案之

发布 2019-08-04 17:50:55 阅读 4146

钙钛矿型锂陶瓷电解质。

习惯上将碱土金属的钛酸盐(catio3,srtio3,batio3等)称为钙钛矿,理想的钙钛矿属立方面心密堆积结构,可用通式abo3表示,晶体中的阴离子骨架bo3-由bo6八面体组成,立方顶点位置被a阳离子占满。实际晶体中的八面体会有不同程度的扭曲,从而在立方顶点位置产生大量的空位,有利于半径较小的离子跃迁而形成快离子导体,传输瓶颈为四个氧组成的四边形。

通过三价稀土la3+和一价阳离子(li+、na+、k+)共同取代碱土离子最早合成了钙钛矿结构的la2/3-x-li3xtio3(llto)(0.04掺杂llto一方面可提高其离子电导率,另一方面可改善其对金属锂的稳定性。从晶格结构方面来讲,传输瓶颈、空位大小以及钙钛矿晶格a位置阳离子的无序度对llto的离子电导率影响非常大,而a—o键长又直接决定着传输瓶颈和晶格对称性。

在llto结构中,a位阳离子的半径越大,a—o键越长,离子传输瓶颈就越大,a位阳离子无序度越高,越有利于li+在a空位间的迁移,但是a位阳离子半径不宜过大,否则将导致晶体结构变形严重,不利于li+迁移。半径较小的稀土离子pr3+、nd3+、sm3+、y3+等完全取代a位置la3+后,离子传输瓶颈变小,且晶格向正交结构转变,离子电导率下降,导电活化能增加。使用二价碱土金属离子ca2+、sr2+、ba2+等部分取代a位置la3+时,半径小于la3+的ca2+同时引起晶胞体积收缩和a位li+浓度降低,材料的电导率下降;半径较大的sr2+取代可形成尺寸较大的空位,增加li+迁移空间,稳定材料的立方无序结构,从而提高其电导率;半径更大的ba2+同样可以产生晶格膨胀,但晶体结构变形严重,阻碍li+迁移。

另外,一价ag+部分取代a位置li+可改变llto中o2-的位置,引起瓶颈扭曲变形并降低导电活化能,对导电机理有利,但是电导率主要发生在贫la3+/ag+层。

从li+与骨架离子间的相互作用考虑,在abo3钙钛矿氧化物中a—o与b—o键共用同样的o2-导致其相互影响,b—o键的距离和键能直接决定着a位li+与骨架结构中o2-间的作用力强弱,半径较小的b位阳离子有利于增强b—o原子间键能,由此可以削弱a位li+与o2-间的作用力,降低材料的导电活化能,利于li+迁移。四价离子sn4+、zr4+、mn4+、ge4+取代li0.5la0.

5tio3中的ti4+后,离子电导率随取代离子半径减小而逐渐增加,这与从传输瓶颈、li+移动的自由体积分析得出的结论相反,可见,b—o键的键能是影响li+迁移性的重要因素。从这个意义上讲,**态离子取代b可降低a位位能,并且增加空位数目,从而利于li+迁移,但实验结果却不是这样,nb5+、ta5+完全取代llto中的ti+并不提高离子电导率,可能是由于bo6八面体的扭曲程度过大所致。

此外,空位浓度和载流子li+浓度之比也影响钙钛矿结构导锂陶瓷的离子电导率,多数情况下离子电导率随锂含量的变化成圆弧型曲线(先升高后降低),有专家研究了al3+、sr2+掺杂的固溶体llto,发现体系的电导率均在a位置的空位占8%时出现最大值。

可见,要通过掺杂提高钙钛矿型锂陶瓷电解质的离子电导率,应尽量满足传输瓶颈与li+半径大小相匹配、li+与骨架离子键合力弱、空位浓度与li+浓度的比例适中三个条件。

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