论文总字数：19744字

摘 要

目前，锂离子电池它的传输载体是锂离子，它的电解液是一种有机液态电解液。这种电解液存在的问题有三点，一是极其容易泄露，二是在高温环境下易挥发、三是与固态电解质相比，它更容易燃烧。这些因素限制了锂离子电池的应用。本文研究的NASICON化学式为Na₃Zr₂Si₂PO₁₂，它是一种固态电解质/。钠离子固态电池具有高能量密度、高的安全性能、钠资源储量丰富、成本低等特点。但是全固态钠离子电池存在电解质与电极之间较高的界面阻抗的问题。因此，本文采用一种柔性聚合物电解质层改善电解质和电极之间的接触，从而降低界面阻抗以达到提高该体系离子电导率的目的。

关键词：NASICON；PEO；电解质；界面阻抗；钠离子电池

Abstract

At present, the carrier of lithium ion battery is lithium ion, and its electrolyte is an organic liquid electrolyte. The problem with this electrolyte is that it is extremely leaky, volatile at high temperatures, and burns more easily than a solid electrolyte. These factors limit the use of lithium-ion batteries. The chemical formula of NASICON studied in this paper is Na₃Zr₂Si₂PO₁₂, which is a solid electrolyte. Sodium ion solid state battery has the characteristics of high energy density, high safety performance, abundant sodium resources and low cost. However, all solid sodium ion batteries have the problem of high interface impedance between electrolyte and electrode. Therefore, a flexible polymer electrolyte layer was used to improve the contact between the electrolyte and the electrode so as to reduce the interface impedance so as to improve the ionic conductivity of the system.

Key words：NASICON；PEO；electrolyte；interface impedance；sodium ion battery

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钠电池的工作原理 1

1.2.1 钠硫电池 2

1.2.2 ZEBRA电池 3

1.2.3 钠-空气电池 4

1.2.4 全固态钠离子电池 4

1.3 钠离子固态电解质概述 5

1.3.1 钠离子无机固态电解质概述 5

1.3.2 钠离子有机聚合物电解质概述 6

1.4 全固态钠离子电池的界面问题 7

1.4.1 正极-电解质界面 7

1.4.2 负极-电解质界面 7

1.5 论文的研究意义和研究内容 8

1.5.1 论文的研究意义 8

1.5.2 论文的研究内容 8

第2章 制备与表征 10

2.1 引言 10

2.2 实验原料与设备 10

2.2.1 实验原料 10

2.2.2 主要仪器和设备 10

2.3 固相烧结法制备磷酸钒钠正极材料 11

2.3.1 实验内容 11

2.4 高温固相法制备Na3Zr2Si2PO12 11

2.5 流延法制备PEO20NaClO4聚合物电解质膜 12

2.6 复合固态电解质PEO20NaClO4/NASICON/ PEO20NaClO4制备 12

2.7 样品表征及电池组装 12

2.7.1 X-射线粉末衍射 12

2.7.2 扫描电子显微镜(SEM) 13

2.8 电化学测试 13

2.8.1 对称电池的组装及全固态电池的组装 13

2.8.2 电化学阻抗谱测试 13

2.8.3 充放电性能测试 13

第3章 实验结果与讨论 14

3.1 样品的物相分析 14

3.2 Na₃Zr₂Si₂PO₁₂的扫描电镜（SEM）分析 14

3.3 电解质的电化学阻抗谱分析 15

3.3.1 Na3Zr2Si2PO12电化学阻抗谱分析 15

3.3.2 PEO20NaClO4电化学阻抗谱分析 16

3.4电池性能分析 16

3.4.1 NVP正极传统液态电池性能分析 16

3.4.2 NZSP对称电池性能分析 17

3.4.3 PEO20NaClO4对称电池性能 18

3.4.4 复合电解质电池的充放电性能 18

第4章 结论与展望 20

参考文献 21

致 谢 23

附 录 24

第1章 绪论

1.1 引言

经济全球化使得全球的能源紧密联系，世界各国对于能源的需求不断增长。就中国目前的能源状况而言，我国GDP每年以6%左右的速度发展，由于对能源的需求不断增长其消耗也不断增加，这对环境和生态造成一定影响，同时也对人类的生存和发展造成了不好的影响。人们致力于开发清洁能源及其与之可以相适应的能源储能系统去解决话使能源短缺的问题。

就目前而言，各种电子信息企业，各种类型的汽车产业，国家的航天、航空及事业的发展，与之而来的是对环境和电化学储能更为严格的要求。现在我们国家将可再生能源作为我们的能源革命方向，而可再生能源发展的过程当中一个重要的瓶颈就是储能。储能在整个电网的安全系统当中非常重要，特别是对于可再生资源也十分重要。

钠离子固态电池具有高能量密度、高的安全性能、钠元素资源储量丰富、成本低及良好的生物降解性等特点。对于过去的电池常采用的是有机电解液作为电池的离子传输通道，但是有机电解液存在着巨大的安全隐患，如易泄露、易燃烧及易挥发等。通过固态电解质取代有机电解液可以有效的解决这类安全性能上的问题。因此，钠离子固态电池具有广泛开发的前景，是固态电池的一个重要发展方向。

固态钠离子电池最大的特点就是采用了固态电解质作为离子的传导通道。而固态电解质最早是在19世纪就已经开始研究了，近年来，有很多种类的固态电解质被国内外广泛的研究。此外，关于聚合物固态电解质、有机无机复合电解质及无机固态电解质对于钠离子电池的发展也有许多文献对此进行了相关的报道。而且与固体电解质相比，聚合物电解质在电极材料表面通常表现出良好的润湿性。因此，基于聚合物固体电解质的固态固体电解质的发展受到了广泛的关注^[1,2,3,4,5]，固态钠离子电池相较于以有机液态钠离子电池来说具有更大的发展前景。

1.2 钠电池的工作原理

Na 与Li 是同一主族，电化学性能与电池工作原理相似。Na 电池也是一种嵌脱式电池，如图1.1所示。在充电时Na 以脱嵌方式从电池阳极到阴极，放电时钠离子则相反，即从电极的阴极进入到电极的阳极。而外电路的电子则从电池的负极进入电池的阳极，在此过程中钠离子被还原成钠。

图1.1 钠离子电池的工作原理

钠电池主要分为四种体系，即钠硫、ZEBRA、钠-空气及全固态钠离子电池。钠电池顾名思义即是以金属钠作为电极材料的负极，其中通过钠离子在电解液/电解质间传导而进入正极/负极和钠离子与钠之间的得失电子的电极反应从而实现电池的化学能与电能的能量转换。

1.2.1 钠硫电池

钠硫电池为管式结构，如图1.2所示。它主要是以β"-Al₂O₃陶瓷管作为该电池的固态电解质材料，熔融状态的金属钠作为负极材料，液态的硫或者熔融状态的多硫化钠作为正极材料。该电池的工作温度较高，一般在300~350 ℃。

钠硫电池充放电的反应方程式如下所示：

负极： 2Na-2e^- = 2Na （1）

正极： xS₂Na 2e^- = Na₂S_x(x=3~5) （2）

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