摘 要：液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池因其潛在的安全性問題，發(fā)展新的固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池是目前所研究的熱點(diǎn)。磷酸鋁鈦鋰（Li1.5Al0.5Ti1.5（PO4）3， LATP）是一種NASICON型陶瓷材料，由于其空氣穩(wěn)定性和較好的Li+導(dǎo)電性而備受關(guān)注。然而，為了達(dá)到良好的離子導(dǎo)電性并降低晶界阻抗，LATP需要950 ℃以上的高溫來(lái)實(shí)現(xiàn)致密化，這對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用來(lái)說耗時(shí)且昂貴。本文使用簡(jiǎn)單的溶液澆鑄法，通過將LATP嵌入共聚物PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯）基體，合成新的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜。在此基礎(chǔ)上，以磷酸鐵鋰（LiFePO4）為正極，使用PVDF-HFP/LATP復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜進(jìn)行電池組裝。在室溫下，利用X射線衍射儀（X-ray diffractometer， XRD）、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）對(duì)不同質(zhì)量比的固態(tài)電解質(zhì)膜進(jìn)行物理特性研究，并進(jìn)行相關(guān)電化學(xué)測(cè)試。結(jié)果表明，PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為5∶1的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜，其LATP的NASICON型晶體結(jié)構(gòu)得到了很好的保持；制備的聚合物固態(tài)電解質(zhì)膜具有阻燃性；組裝的半電池在常溫條件下鋰離子遷移數(shù)達(dá)到0.70。全電池在20次充放電循環(huán)下，放電比容量保持率為85%。

關(guān)鍵詞：Li1.5Al0.5Ti1.5（PO4）3；PVDF-HFP；復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜；鋰離子遷移數(shù)

中圖分類號(hào)：TM912 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2024.04.016

0 引言

鋰離子電池被廣泛用于便攜式電子設(shè)備、軍事裝備、航空航天和醫(yī)療設(shè)備等諸多領(lǐng)域，但其使用的液體電解質(zhì)具有易燃、易爆和能量密度低等缺點(diǎn)。由于固態(tài)鋰離子電解質(zhì)應(yīng)用于鋰離子電池中可解決液態(tài)電解質(zhì)的易燃和化學(xué)穩(wěn)定性差等安全問題，因此得到了人們的關(guān)注[1-3]。固態(tài)電解質(zhì)包含無(wú)機(jī)電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)，其中聚環(huán)氧乙烷（PEO）基電解質(zhì)可通過聚合物鏈的局部弛豫和節(jié)段運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移Li+[4-5]。目前，4類典型的無(wú)機(jī)陶瓷氧化物固態(tài)電解質(zhì)分別是鈣鈦礦型、石榴石型、LISICON型、NASICON型等。陶瓷基固態(tài)電解質(zhì)具有一些有益的固有特性，如不可燃性、較大的機(jī)械強(qiáng)度、較寬的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口等，它們?cè)诎踩院褪褂脡勖确矫婢哂袩o(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為開發(fā)下一代先進(jìn)鋰離子電池候選者。與此相比，聚合物電解質(zhì)膜具有柔性和容易加工等優(yōu)點(diǎn)，但是，由于其室溫導(dǎo)電性能較差，制約了其實(shí)際應(yīng)用。為了提高它們的導(dǎo)電性，不少學(xué)者已經(jīng)深入探索了幾種策略，如化學(xué)交聯(lián)[6]、形成嵌段共聚物、添加增塑劑[7]和引入陶瓷填料[8]。

鋰離子導(dǎo)電材料取代傳統(tǒng)的電解液、隔膜，有望獲得更高的比容量及安全性能。高分子聚合物基體聚偏氟乙烯（PVDF）材料因其優(yōu)異的物理性能及電化學(xué)穩(wěn)定性而備受關(guān)注。在所分析的典型無(wú)機(jī)陶瓷氧化物固態(tài)電解質(zhì)中，磷酸鋁鈦鋰（Li1.5Al0.5Ti1.5（PO4）3， LATP）是NASICON（鈉超離子導(dǎo)體）型固態(tài)電解質(zhì)的代表。NASICON型快鋰離子導(dǎo)體Li1+xAlxTi2-x（PO4）3[9-10]是一種用于全固態(tài)鋰電池的陶瓷鋰電解質(zhì)，由于其在25 ℃下的離子電導(dǎo)率可達(dá)10-4 S/cm，且其具有電化學(xué)穩(wěn)定窗口大和熱穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)[11-12]，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

本文以磷酸鋁鈦鋰（Li1.5Al0.5Ti1.5（PO4）3）為研究對(duì)象[13]，將其嵌入共聚物PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯）基質(zhì)中進(jìn)行溶液澆鑄工藝，制備一種新型的高質(zhì)量復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜，并系統(tǒng)地研究LATP的加入對(duì)固態(tài)電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率等性能的影響。在此基礎(chǔ)上，選擇磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，組裝扣式電池并對(duì)其進(jìn)行性能研究，研究結(jié)果將為開發(fā)具有高安全性能的新一代鋰離子電池材料提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器：磁力攪拌儀（XMTD-204，金壇市宏華儀器廠）；自動(dòng)涂覆機(jī)（AFA-Ⅲ，合肥科晶材料技術(shù)有限公司）；電子天平（PX2242H，奧豪斯儀器有限公司）；真空干燥箱（DHT-6020，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；電池封裝機(jī)（MSK-110，深圳科晶智達(dá)有限公司）；小型沖片機(jī)YLJ-CSP-LWA（合肥科晶材料技術(shù)有限公司）；DH7000電化學(xué)工作站（江蘇東華分析儀器有限公司）；X射線衍射儀（D8 Advance，德國(guó)Bruker公司）；電池測(cè)試儀（新威電池測(cè)試系統(tǒng)）；掃描電子顯微鏡（SEM，廣州納微檢測(cè)技術(shù)有限公司）。

1.2 復(fù)合聚合物電解質(zhì)薄膜的制備

取50 mL的燒杯放置在電子天平上，稱取8.0 g的DMF（N， N-二甲基甲酰胺）溶液；將放在60 ℃干燥箱中的PVDF-HFP作為控制變量，稱取2.0 g的PVDF-HFP；將稱量好的DMF溶液放置在磁力攪拌器上，將PVDF-HFP粉末倒入DMF中，觀察磁力攪拌器上溶劑的顏色及狀態(tài)變化。稱取0.2 g的LATP粉末備用。待DMF和PVDF-HFP 攪拌至澄清透明狀態(tài)后，加入LATP粉末繼續(xù)攪拌3.0～6.0 h。然后稱取0.8 g的ETPTA 和0.5 g的425（聚氨酯丙烯酸酯，PUA），待攪拌均勻后，加入ETPTA和PUA，5 min后加入一定量的1173（2-羧基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮），持續(xù)混合，5 min后將混合均勻的溶液置于空氣中冷卻5 min，將其均勻倒入事先準(zhǔn)備好的模具中，再放入U(xiǎn)V機(jī)中進(jìn)行固化，隨后放置在干燥箱內(nèi)，60 ℃干燥2.0～3.0 h。再采用相同的方法和步驟制備PVDF-HFP和LATP質(zhì)量比分別為5∶1和15∶1的復(fù)合高分子聚合物電解質(zhì)膜。

1.3 正極極片的制備

以8∶1∶1的質(zhì)量比稱取活性物質(zhì)（LiFePO4）、導(dǎo)電碳黑和聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）；挑選合適尺寸的轉(zhuǎn)子，放于大小適當(dāng)?shù)臒?；滴加N-甲基吡咯烷酮（NMP）試劑；將之前稱量的PVDF-HFP粉末與試劑混合，使用磁力攪拌器對(duì)混合物攪拌1.5 h；同時(shí)，將LiFePO4和導(dǎo)電碳黑放入瑪瑙研缽，充分研磨40 min，使其均勻混合。待燒杯混合液呈現(xiàn)透明無(wú)氣泡狀態(tài)，將充分研磨的混合粉末倒入燒杯并進(jìn)行密封，繼續(xù)在磁力攪拌器上攪拌4.0 h。將鋁箔按適當(dāng)尺寸裁剪好，平整地放置于涂布機(jī)上，再將漿料均勻平涂在鋁箔表面；涂布后的鋁箔片放入真空干燥箱中。用小型沖片機(jī)裁剪所需大小的正極片，對(duì)其質(zhì)量逐一稱重并作好記錄。

1.4 物理表征和電化學(xué)性能測(cè)試

使用X射線衍射儀（X-ray diffractometer， XRD）對(duì)實(shí)驗(yàn)需要的單體和所制備的固態(tài)電解質(zhì)膜進(jìn)行材料分析，設(shè)置管電壓和管電流分別為40 kV、30 mA，掃描范圍為10°～90°，步進(jìn)角度為0.1°。

使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）觀察所制固態(tài)電解質(zhì)膜的表面形貌和截面形狀。

在充滿氬氣氣氛的手套箱中分別安裝鋼片‖膜‖鋼片鋰電池、鋼片‖膜‖Li電池和LiFePO4‖膜‖Li電池。采用電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)組裝的固態(tài)鋰離子電池進(jìn)行充放電測(cè)試，考察所組裝電池的充放電曲線、倍率性能和循環(huán)性能，以考察所制備電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能。LiFePO4電池恒電流充放電循環(huán)的電壓設(shè)置范圍為2.8～4.0 V，使用電化學(xué)工作站（DH7000）對(duì)樣品進(jìn)行循環(huán)伏安（cyclic voltammetry， CV）測(cè)試。

采用2025型扣式對(duì)稱電池（鋰片‖膜‖鋰片）在室溫條件下進(jìn)行鋰離子遷移數(shù)測(cè)試，通過式（1）來(lái)計(jì)算鋰離子遷移數(shù)。

[t+=Is（ΔU-R0I0）I0（ΔU-RsIs），] （1）

式中：t+代表鋰離子遷移數(shù)；Is為極化后的穩(wěn)定電流（A）；ΔU是設(shè)置的恒定電壓0.05 V；R0為初始界面阻抗（Ω）；I0為起始電流（A）；Rs為極化后的界面阻抗（Ω）。

采用2025型扣式對(duì)稱電池（不銹鋼墊片‖膜‖不銹鋼墊片）在室溫條件下進(jìn)行交流阻抗（也稱為電化學(xué)交流阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy， EIS））試驗(yàn)。通過式（2）來(lái)計(jì)算離子電導(dǎo)率，

[σ=LRS，] （2）

式中：σ為電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率（S/cm）；L為所制電解質(zhì)膜的厚度（cm）；R為奈奎斯特曲線擬合出來(lái)的電解質(zhì)膜電阻（Ω）（對(duì)應(yīng)電化學(xué)阻抗譜中的斜線在橫軸上的截距）；S為電解質(zhì)膜與不銹鋼墊片的接觸面積（cm2）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 固態(tài)電解質(zhì)膜的物理性質(zhì)表征

凝膠聚合物電解質(zhì)膜的柔韌性是制造可穿戴電子設(shè)備的必要條件。圖1（a）—（c）是PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比分別為15∶1、10∶1、5∶1的圖片，可以直接看出3種固態(tài)電解質(zhì)膜都表現(xiàn)出良好的可折性和彎曲性，且PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為5∶1時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)膜的自然卷曲度最高。這可能是因?yàn)樵摴虘B(tài)電解質(zhì)膜選用的是PVDF-HFP，在眾多因素中，將聚合物基HFP引入的主要作用是降低聚合物材料從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度，避免材料內(nèi)部分子鏈和鏈段無(wú)法運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)（玻璃態(tài)），以此提高其無(wú)定形的程度，從而提高電解質(zhì)膜的柔韌性[14]，因此能直觀地看出電解質(zhì)膜具有良好的彎曲度。

2.2 XRD分析

圖2展示的是對(duì)所制備的不同質(zhì)量比PVDF-HFP/LATP及PVDF-HEP等電解質(zhì)膜的X射線衍射譜。

將不同質(zhì)量的LATP與PVDF-HFP混合后，可以觀察到三者的主衍射峰與LATP、PVDF-HFP的主衍射峰重合度很高。結(jié)果表明，采用溶液鑄造法可以成功地制備出高品質(zhì)的固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合膜，而且不會(huì)產(chǎn)生其他雜質(zhì)。另外，隨著LATP質(zhì)量比的增大，可以發(fā)現(xiàn)3種電解質(zhì)膜的衍射峰強(qiáng)度顯著降低，這一現(xiàn)象可能是由于聚合物側(cè)鏈的有序排列被LATP破壞[15]。

2.3 鋰離子遷移數(shù)測(cè)試

為了測(cè)試鋰陽(yáng)極在鋰電鍍/剝離過程中的電化學(xué)穩(wěn)定性，組裝了Li‖Li對(duì)稱電池，并在室溫條件下進(jìn)行計(jì)時(shí)電流法（chronoamperometry， CA）測(cè)試。電化學(xué)工作站設(shè)置0.05 V的階躍電位，持續(xù)時(shí)間為4 000 s。圖3顯示了PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為15∶1、10∶1和5∶1的Li‖Li對(duì)稱電池的極化曲線及極化反應(yīng)前后的阻抗圖譜。

從圖3（a）得知，PVDF-HFP/LATP 質(zhì)量比為15∶1時(shí)電流的初始值為5.941 μA，極化后的穩(wěn)態(tài)電流為4.861 μA，極化前、后阻抗分別為4.980和5.110 kΩ；PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為10∶1時(shí)（圖3（b））電流的初始值為17.159 μA，極化后的穩(wěn)態(tài)電流為13.337 μA，極化前、后阻抗分別為1.668和1.615 kΩ；PVDF-HFP/LATP 質(zhì)量比為5∶1時(shí)（圖3（c））電流的初始值為23.557 μA，極化后的穩(wěn)態(tài)電流為19.319 μA，極化前、后阻抗分別為1.219和1.288 kΩ。經(jīng)公式計(jì)算出不同質(zhì)量比的鋰離子遷移數(shù)分別為0.65、0.58和0.70。

以上數(shù)據(jù)說明鋰陽(yáng)極和界面膜之間存在穩(wěn)定的界面。采用溶液澆筑工藝制備的PVDF-HFP/LATP固態(tài)電解質(zhì)膜，隨著LATP濃度的增大，超離子導(dǎo)體形成連續(xù)的無(wú)機(jī)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)[16]。LATP作為鋰離子傳導(dǎo)相的主體，促進(jìn)鋰離子傳輸，PVDF-HFP僅作為黏結(jié)劑提供形狀支撐，且除了超離子導(dǎo)體本身的作用外，PVDF-HFP/LATP界面也為鋰離子傳輸提供了路徑。因此，當(dāng)PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為5∶1時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)膜中的鋰離子遷移數(shù)明顯提升。

2.4 離子電導(dǎo)率測(cè)試

為了評(píng)估不同質(zhì)量比的PVDF-HFP與LATP的固態(tài)電解質(zhì)膜的鋰離子電導(dǎo)率，采用EIS測(cè)量來(lái)收集奈奎斯特圖，并根據(jù)方程式計(jì)算室溫下的各離子電導(dǎo)率。要想在實(shí)際生活應(yīng)用該固態(tài)電解質(zhì)膜，需要其有保持高離子導(dǎo)電的能力。在此基礎(chǔ)上，擬對(duì)不同質(zhì)量比的PVDF-HFP/LATP所制備的高分子固態(tài)電解質(zhì)膜進(jìn)行EIS測(cè)試，并根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果計(jì)算對(duì)應(yīng)的離子電導(dǎo)率。

圖4為電解質(zhì)膜在室溫下進(jìn)行阻抗測(cè)試后，PVDF-HFP和LATP質(zhì)量比分別為15∶1、10∶1和5∶1的阻抗測(cè)試圖。通常鋰離子電池的交流阻抗譜應(yīng)該在高頻區(qū)有一個(gè)扁半圓，接著在低頻區(qū)有一條斜線，分別對(duì)應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移電阻以及電極與電解質(zhì)膜之間的阻抗[17]。從測(cè)量數(shù)據(jù)中可知，PVDF-HFP與LATP質(zhì)量比為15∶1、10∶1和5∶1時(shí)的阻抗分別為167.623、214.211和52.166 Ω，從而可以計(jì)算得出其離子電導(dǎo)率分別為4.45×10-5、5.60×10-5和1.40×10-4 S/cm。可以看出，隨著LATP的添加，所制備的固態(tài)電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率相對(duì)都有提升，尤其當(dāng)PVDF-HFP與LATP質(zhì)量比為5∶1時(shí)，離子電導(dǎo)率達(dá)到1.40×10-4 S/cm，這進(jìn)一步證明LATP的加入，使鏈段之間的相互作用減弱[18]，增加了鏈段可無(wú)序排列的區(qū)域，同時(shí)搭建起更便利的離子運(yùn)輸路線。

2.5 SEM分析

前文對(duì)所制備的3種不同質(zhì)量比的PVDF-HFP/LATP固態(tài)電解質(zhì)膜進(jìn)行了鋰離子遷移數(shù)和離子電導(dǎo)率的測(cè)試，初步數(shù)據(jù)顯示質(zhì)量比為5∶1的固態(tài)電解質(zhì)膜各方面性能較好。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益等問題，挑選所制備的該質(zhì)量比的固態(tài)電解質(zhì)膜進(jìn)行SEM分析。圖5（a）和圖5（b）分別為PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為5∶1的表面形態(tài)和截面樣貌。

從圖5（a）中可以看出該配比的固態(tài)電解質(zhì)膜表面比較光滑且微孔較少。這種均勻分布?xì)w因于合成過程中LATP顆粒與PVDF-HFP聚合物的溶劑均勻混合[11]。此外，PVDF-HFP/LATP電解質(zhì)表面存在一些均勻分散的孔隙，這是由于半互穿的聚合物基體吸收了大量的DMF。這些孔隙使膜吸收更多的有機(jī)電解液，從而改善電化學(xué)性能[19]。從表面形貌可以直觀地看出PVDF-HFP/LATP復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜可以保持LATP的NASICON型晶體結(jié)構(gòu)。LATP顆粒與聚合物基體之間的良好相互作用有利于Li+在固態(tài)電解質(zhì)膜之間的傳輸，以便于提高鋰離子遷移數(shù)。

2.6 充放電測(cè)試和循環(huán)測(cè)試

以LiFePO4‖PVDF-HFP/LATP‖Li組裝成扣式電池，分別在0.1C、0.2C、0.5C和1.0C的電流密度下進(jìn)行恒流充放電測(cè)試（見圖6）。

由圖6（a）可以觀察到，3個(gè)不同質(zhì)量比的倍率性能總體都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為15∶1時(shí)在0.1C的電流密度條件下首次放電比容量?jī)H有44.6 mA·h/g，且隨著后面電流密度的增大，其放電比容量持續(xù)降低。而PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為5∶1時(shí)在0.1C的電流密度條件下首次放電比容量有139.3 mA·h/g。從圖中也不難發(fā)現(xiàn)，PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為5∶1的放電比容量隨著電流密度的增大也有下降的趨勢(shì)，但其在經(jīng)過1.0C電流密度后放電比容量保持率為85%。

圖6（b）是在室溫條件下組裝的不同PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比的LiFePO4‖PVDF-HFP/LATP‖Li扣式電池的循環(huán)性能圖?？梢杂^察到，其與倍率變化保持著相似的情況，初始放電比容量有著較好的數(shù)值，盡管隨著循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為5∶1時(shí)，該電池的循環(huán)穩(wěn)定性相對(duì)較好。這說明，LATP的加入對(duì)電池的電化學(xué)性能有一定的影響，使得固態(tài)電池的電化學(xué)容量和循環(huán)壽命都有一定的提高。然而，在長(zhǎng)時(shí)間的充放電過程中產(chǎn)生界面層，使電池中的離子難以傳輸，從而使電池的比容量不斷下降。

2.7 循環(huán)伏安（CV）測(cè)試

將LiFePO4‖PVDF-HEP/LATP‖Li電池在室溫下進(jìn)行循環(huán)伏安（CV）測(cè)試，其測(cè)量電壓范圍在2.8～4.0 V，掃描速率設(shè)置為0.2 mV/s（見圖7）。從圖7可以看出，PVDF-HFP和LATP質(zhì)量比為5∶1的氧化峰和還原峰電位分別出現(xiàn)在3.75 V和3.15 V附近，此CV曲線的還原峰的面積明顯多于氧化峰，這表明Li+的嵌入量比脫出量大。但2次循環(huán)的CV曲線形態(tài)高度一致，氧化峰和還原峰基本完全重合，這表明，PVDF-HF和LATP質(zhì)量比為5∶1的LiFePO4‖PVDF-HFP/LATP‖Li電池具有良好的循環(huán)性能和電化學(xué)穩(wěn)定性[13]。

CV曲線

3 結(jié)論

本文通過溶液澆鑄工藝制備出了3種不同質(zhì)量比的PVDF-HFP/LATP固態(tài)電解質(zhì)膜，并分別探討了電解質(zhì)膜的XRD圖譜、SEM表面形貌、離子電導(dǎo)率和其鋰離子遷移數(shù)。試驗(yàn)表明，在所研究的3個(gè)比例區(qū)域中，由于LATP質(zhì)量比的提高，復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜的各個(gè)特性在這個(gè)區(qū)域中都得到了相應(yīng)的改善。而試驗(yàn)也證明，在常溫下，PVDF-HFP/LATP質(zhì)量比為5∶1時(shí)的復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)膜具有最好的柔韌性；組裝的半電池在常溫條件下，鋰離子遷移性能較好，進(jìn)一步表明LATP的引入可以有效提升鋰離子遷移的能力。下一步將對(duì)固態(tài)電解質(zhì)與電池正負(fù)極材料之間存在的界面問題進(jìn)行研究，分析電池可用容量衰減的具體原因，以提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

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Effect of different ratios of PVDF-HFP and LATP on solid-state

electrolyte membrane

YUN Shuhong， SHI Xueli， HUN Qiankun， LU Xuanan， WANG Yuying， SHEN Pengcheng， LIANG Xinghua*

（Guangxi Key Laboratory of Automobile Component and Vehicle Technology（Guangxi University of Science and Technology）， Liuzhou 545616， China）

Abstract： The development of new lithium-ion batteries with liquid electrolytes is a hot topic of study due to their potential safety issues. Lithium aluminum titanium phosphate（Li1.5Al0.5Ti1.5（PO4）3， LATP）， a NASICON-type ceramic material， is of great interest due to its air stability and better Li+ conductivity. However， in order to achieve good ionic conductivity and reduce grain boundary impedance， LATP requires high temperatures above 950 °C for densification， which is time-consuming and expensive for large-scale applications. In this work， a new composite solid electrolyte membrane was synthesized by incorporating LATP into a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer（PVDF-HFP）substrate by a simple solution casting method. Based on this， the battery was assembled using a PVDF-HFP/LATP composite solid-state electrolyte film with lithium iron phosphate as the positive electrode. The physical properties of the solid-state electrolyte membranes with different mass ratios were investigated by X-ray diffractometer（XRD）and scanning electron microscope（SEM）tests at room temperature， and related electrochemical tests were performed. The results showed that the NASICON-type crystal structure of LATP was well maintained in the composite solid electrolyte membrane with a PVDF-HFP/LATP mass ratio of 5∶1; the prepared polymeric solid electrolyte membrane was flame-retardant; the assembled half-cell achieved a lithium ion migration number of 0.70 at room temperature; and the discharge-specific capacity retention rate of the full cell was 85% under 20 charge/discharge cycles.

Keywords： Li1.5Al0.5Ti1.5（PO4）3; PVDF-HFP; composite solid-state electrolyte membrane; lithium-ion mobility number

（責(zé)任編輯：于艷霞）

收稿日期：2023-07-12；修回日期：2023-07-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52161033）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020GXNSFAA297082）資助

第一作者：贠淑宏，在讀碩士研究生

*通信作者：梁興華，博士，副教授，研究方向：新能源汽車動(dòng)力電池及材料，E-mail：309602373@qq.com