鄧 帆，宋樹豐，姚建堯，胡 寧

（1.重慶大學 航空航天學院，重慶 400044；2.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300401；3.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

0 引言

空間電源系統(tǒng)是空間能源產(chǎn)生、儲存、變換、調(diào)節(jié)以及分配的分系統(tǒng)，是航天器四大關鍵分系統(tǒng)之一。蓄電池組是空間電源分系統(tǒng)的關鍵能源結(jié)構(gòu)［1］。

鋰離子電池是以鋰離子在正負極脫嵌，通過電解液/隔膜在正負極之間遷移而實現(xiàn)充放電過程的蓄電池裝置。自1992年由日本SONY公司商業(yè)化以來，鋰離子電池在消費電子領域（如手機、筆記本電腦等）的應用取得巨大成功，近些年，繼續(xù)向儲能和新能源汽車領域拓展。隨著鋰離子電池技術的不斷成熟，國際上開始研究鋰離子電池在航天器上的應用，通過近20年的發(fā)展，目前，鋰離子電池已成為繼鎘鎳電池和氫鎳電池后的第三代空間儲能電源，并占據(jù)主導地位，顯著提升了空間飛行器的能源技術水平［2］。美國國家航空航天局（NASA）是國際上最早開始研制空間用鋰離子電池的機構(gòu)，并已將鋰離子電池在空間的應用研究列入21世紀新衛(wèi)星計劃之一。NASA在2003年發(fā)射的勇氣號和機遇號火星漫游器，在2007年發(fā)射的鳳凰號火星著陸器，均采用了由Yardney公司研制的鋰離子電池；2009年發(fā)射的月球偵查軌道器采用了ABSL公司的鋰離子電池。我國“神舟七號”伴星開創(chuàng)了載人航天首次使用鋰離子電池的歷史，“玉兔號”月球車采用了新一代高比能鋰電池技術。

采用固體電解質(zhì)取代有機液體電解質(zhì)，有望從根本上解決鋰離子電池的安全性與可靠性的問題。由此發(fā)展起來的全固態(tài)鋰電池具有高安全性、長壽命、充放電效率高、耐高溫性能好、組裝加工簡單的獨特優(yōu)點。另外，全固態(tài)鋰電池具有寬的電化學窗口，可以大大拓展電池材料的選擇范圍，可改變包括電池制造方法在內(nèi)的現(xiàn)有概念；并且通過層疊電極，電池單元內(nèi)形成串聯(lián)，可制造出大電壓電池單元［3-4］。固體電解質(zhì)材料是固態(tài)鋰電池的核心、關鍵材料，石榴石結(jié)構(gòu)的無機固體電解質(zhì)材料Li7La3Zr2O12具有離子電導率高、對金屬鋰穩(wěn)定、力學性能優(yōu)良等一系列特點，是非常具有應用前景的一類鋰離子固體電解質(zhì)材料。石榴石型固體電解質(zhì)粉體是在固態(tài)鋰電池中應用的重要形式，制備全固態(tài)鋰電池時，石榴石型固體電解質(zhì)粉體通常需要與活性材料制備成復合正極并實現(xiàn)共燒結(jié)，在正極端提供離子傳輸通道［5-6］。目前大量的研究也將石榴石型固體電解質(zhì)粉體作為活性填料，與聚合物電解質(zhì)（如聚氧化乙烯）復合，獲得復合固體電解質(zhì)，制造的固態(tài)鋰電池表現(xiàn)出較好的電化學性能［7-8］。石榴石型固體電解質(zhì)粉體的制備方法主要有兩大類，即固相法與液相法。固相法制備石榴石型固體電解質(zhì)粉體具有過程簡單易控、成本低廉、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)勢。但是，采用固相法制備石榴石型固體電解質(zhì)粉體，需要高溫煅燒，導致鋰元素揮發(fā)，難以準確控制樣品的化學計量比。此外，高溫固相法制備的石榴石型固體電解質(zhì)粉體純度較低，坩堝極易污染樣品。更為重要的是，采用固相法制備的石榴石型固體電解質(zhì)粉體粒徑較大，在后續(xù)的應用之前，通常需要長時間的機械球磨，雖然采用高能球磨等可以大幅減小粉體的尺寸，但是不可避免地污染粉體，而且球磨獲得的粉體形貌不規(guī)則，不利于粉體的分散［9-10］。

相對于固相法，液相法則可以使原料混合更均勻，在較低溫度下成相，獲得的粉體尺寸小。采用液相法制備石榴石型固體電解質(zhì)粉體，通常需要在700 ℃以上較高溫度才可以獲得高導電的立方石榴石晶相，而且制備的粉體團聚嚴重。為了克服這些問題，本文利用氧化石墨烯表面帶有負電荷的特性，結(jié)合共沉淀法，使石榴石型固體電解質(zhì)陽離子吸附沉積在氧化石墨烯片層上，然后在空氣中煅燒，去除氧化石墨烯模板材料，獲得立方相石榴石粉體材料，并系統(tǒng)研究了材料制備工藝以及石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的特性。

1 實驗部分

1.1 氧化石墨烯的制備

氧化石墨烯（GO）的制備采用了改進的Hummers方法［11-12］。首先，將2 g石墨粉（99.5%，XFNAN）加入到混合比為10∶1（250 mL∶25 mL）的濃H2SO4（AR分析純，重慶川東化工有限公司）與濃H3PO4（≥85.0 %，阿拉丁試劑有限公司）的混合溶液中，然后將混合溶液置于冰浴環(huán)境，緩慢加入12 g KMnO4（AR分析純，成都市科龍化學品有限公司）。溶液混合均勻后將其轉(zhuǎn)移至50 ℃的恒溫下攪拌18 h使其充分反應。隨后將溶液取出冷卻至室溫，向其中加入9.56 mL 30%的H2O2溶液及適量的去離子水結(jié)束氧化反應。為了去除K、P、Mn等雜質(zhì)，獲得純凈氧化石墨烯溶液，必須進行凈化過程。首先需要對氧化石墨烯原液進行過濾，去除部分固體雜質(zhì)；然后利用半透膜對其進行透析，去除部分可溶性雜質(zhì)；最后再用去離子水和稀鹽酸交替洗滌直至溶液接近中性，最終得到質(zhì)量濃度為4.0 mg/mL的氧化石墨烯溶液。

1.2 石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的制備

首先按照化學式Li6.5Mg0.05La3Zr1.6Ta0.4O12（LLZO）的化學計量比配料稱量前驅(qū)體藥品TaCl5、Mg-SO4·7H2O、La（NO3）3·6H2O、Zr（NO3）4·3H2O、LiNO3。其中，為補償晶體結(jié)構(gòu)中Li元素在高溫下的揮發(fā)，原料中的LiNO3過量40%。首先將0.72 g的TaCl5（＞95.0%，阿拉丁試劑有限公司）溶解于10 mL無水乙醇 中；接著將0.06 g的MgSO4·7H2O（AR級，重慶博藝化學試劑有限公司）、6.50 g的La（NO3）3·6H2O（99.99%，上海帝陽化工有限公司）、3.15 g的Zr（NO3）4·3H2O（AR級，上海帝陽化工有限公司）依次溶解于50 mL去離子水中，得到澄清透明溶液；然后混合上述兩種溶液，分別加入質(zhì)量比為0%、0.5%、1%、2%、5%、10%的氧化石墨烯溶液，超聲30 min使得溶液混合均勻；再在劇烈攪拌的條件下滴加少許氨水，調(diào)節(jié)溶液pH值為9.5～10.0，使得金屬陽離子沉淀完全；緊接著用去離子水和乙醇分別離心清洗溶液，得到金屬陽離子沉淀物；同時將3.14 g的LiNO3（99.9%，阿拉丁試劑有限公司）溶解于30 mL去離子水中，與上述離心所得沉淀物在燒杯中混合均勻，升溫攪拌蒸發(fā)掉部分水以及乙醇至樣品溶液變得黏稠；最后將燒杯放入150 ℃烘箱中干燥3 h，取出燒杯冷卻至室溫后將樣品研磨成粉得到LLZO前驅(qū)體。

1.2.1 煅燒溫度研究

將前驅(qū)體分成6等份，以5 ℃/min的升溫速率分別升溫至550、600、650、700、750和800 ℃，均保溫3 h，冷卻至室溫后研磨成粉，得到不同溫度下制備的LLZO納米粉體，研究不同煅燒溫度對LLZO納米粉體成相的影響。

1.2.2 氧化石墨烯含量研究

分別加入質(zhì)量比為0%、0.5%、1%、2%、5%、10%的GO制得前驅(qū)體后，將前驅(qū)體以5 ℃/min的升溫速率升溫至650 ℃，保溫3 h，冷卻至室溫后研磨成粉，研究氧化石墨烯添加量對LLZO納米粉體成相的影響。

1.2.3 煅燒氣氛研究

制得加入1%含量GO的LLZO前驅(qū)體粉末后，分別在空氣氛圍和氮氣氛圍中以5 ℃/min升溫至650 ℃，保溫3 h，冷卻至室溫后研磨成粉，研究氧化和惰性氣氛氛圍對LLZO納米粉體成相的影響。

1.3 石榴石型固體電解質(zhì)片的制備

取在空氣氛圍、650 ℃下添加1%含量GO制備出的LLZO粉體，置于二氧化鋯球磨罐中，使用酒精作為分散劑，經(jīng)行星式球磨進一步減小粒度并提高粉體活性，球磨4 h之后將漿料放置于120 ℃烘箱干燥為粉體；然后使用壓片機將粉體壓制成直徑為12 mm、高度為2 mm的素坯圓片，放置于剛玉坩堝中；接著采用固相法制備的LLZO粉末作為母粉覆蓋素坯，以5 ℃/min的升溫速率升溫至1 100 ℃，煅燒12 h；取出后打磨拋光，即得LLZO陶瓷片。

1.4 石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體以及電解質(zhì)片的性能表征

采用Bruker公司的D2 Phaser型X射線衍射儀對粉體樣品物相進行觀測，步長時間為0.3 s，掃描區(qū)間為10°～80°。

采用掃描電子顯微鏡（Su8020，Hitachi）對粉體樣品形貌進行觀察，工作電壓為3 kV，放大倍數(shù)2 000～10 000。

采用透射電子顯微鏡（JEM-2100F）對粉體樣品形貌進行觀察，工作電壓為200 kV，放大倍數(shù)5 000～5 000 000。

采用Mastersizer 2000型激光粒度儀對粉體樣品的粒度進行測試，溫度范圍（25±5）℃，掃描速率為1 000次/s。

采用max-II型比表面和孔徑分析儀對粉體樣品的比表面積以及孔徑進行測試，吸附質(zhì)氣體為氮氣，脫氣溫度為120 ℃，脫氣時間為60 min。

采用電化學工作站Autolab PGSTAT302N對電解質(zhì)片的交流阻抗進行測試，頻率范圍為1 MHz～0.1 Hz，振幅為10 mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯的物相及形貌

制備出的質(zhì)量濃度為4.0 mg/mL的氧化石墨烯溶液如圖1（a）所示。取少部分GO溶液在45 ℃普通烘箱中烘干成膜，測試其XRD，圖譜如圖1（b）所示，和文獻［13］對比XRD圖可知，在10°偏左出現(xiàn)了GO的特征峰，所以制備出的GO具有正確的物相。

2.2 石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的物相

添加1% 含量GO的前驅(qū)體在空氣中升溫650 ℃，保溫3 h制備得到的LLZO納米粉體如圖2所示。由圖2可知，該固體電解質(zhì)宏觀觀察下為白色粉末，均勻度較好，粉體較細。

圖1 制備的氧化石墨烯及其XRD圖譜Fig.1 Prepared GO and its XRD pattern

圖2 制備的添加1% GO的LLZO納米粉體Fig.2 LLZO nano powders with 1% GO

添加1%含量GO，空氣氣氛下，LLZO前驅(qū)體在550～800 ℃溫度下煅燒后的XRD圖譜如圖3所示。

由圖3可知，煅燒溫度為550 ℃時，樣品為中間晶相，沒有獲得LLZO石榴石晶相；煅燒溫度為600 ℃時，為立方石榴石晶相，但是樣品中含有Li2ZrO3、LiLaO2等雜相；煅燒溫度為650 ℃時，樣品為單一的立方石榴石晶相（PDF：45-0109），X射線衍射的分辨率下沒有發(fā)現(xiàn)任何雜質(zhì)的存在；700～800 ℃時，樣品仍然為單一的立方石榴石晶相。表明采用1%添加量GO輔助的共沉淀法，在空氣氣氛下，可以在較低的溫度（650 ℃）下，獲得單一立方相結(jié)構(gòu)的石榴石型固體電解質(zhì)材料。值得注意的是，目前大多文獻報道的類似組成的石榴石型固體電解質(zhì)粉體的合成溫度在700 ℃以上［14-15］。因此，本文在較低的溫度下獲得純相石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體，具有較好的優(yōu)越性。

圖3 在空氣氛圍，550～800 ℃下添加1% GO制備的LLZO的XRD對比圖Fig.3 XRD contrast diagram of LLZO prepared by adding 1% GO at 550～800 oC in air atmosphere

我們進一步研究了氧化石墨烯納米模板對石榴石型固體電解質(zhì)成相的影響作用，制備了添加0%～10%含量GO的LLZO納米粉體，同樣是空氣氣氛下，650 ℃煅燒，納米粉體的XRD圖譜如圖4所示。由圖4可以看出，不含有GO的LLZO樣品雖然也獲得了立方石榴石晶相，但是含有較多的Li2ZrO3和LiLaO2雜質(zhì)，并且，GO添加量超過2% 以后，Li2ZrO3和LiLaO2的衍射峰峰強更高，暗示著雜相的含量更多，而且當GO添加量達到10%時，樣品完全由立方石榴石相轉(zhuǎn)變成了Li2ZrO3和LiLaO2相。因此，GO的最佳添加量為1%。

圖4 在空氣氛圍，650 ℃下添加不同含量的GO制備的LLZO的XRD對比圖Fig.4 XRD contrast diagram of LLZO prepared by adding different contents of GO at 650 oC in air atmosphere

綜上所述，氧化石墨烯模板可以降低立方石榴石的成相溫度，在較低溫度下獲得純相LLZO。分析原因，認為氧化石墨烯納米片表面帶有負電荷，可以吸附LLZO陽離子，從而使LLZO前驅(qū)體的成分更均勻，因此，促進了LLZO的成相。當氧化石墨烯模板含量較高時，再次出現(xiàn)雜相，甚至抑制了立方石榴石的成相，分析原因是LLZO前驅(qū)體在煅燒過程中，氧化石墨烯模板材料會與氧氣反應轉(zhuǎn)變成CO2、CO等氣體揮發(fā)出去，當氧化石墨烯含量較高時，CO等還原氣氛的氣體較多，因此，可能會影響立方石榴石的成相。

針對最優(yōu)1%含量GO的LLZO前驅(qū)體，我們研究了惰性氣氛對其成相的影響，分別在空氣以及氮氣氣氛下煅燒LLZO前驅(qū)體后得到的XRD圖譜，如圖5所示。

圖5 在空氣和氮氣氛圍，650 ℃下添加1% GO制備的LLZO的XRD對比圖Fig.5 XRD contrast diagram of LLZO prepared by adding 1% GO at 650 oC in air and nitrogen atmosphere

添加1% 含量GO的樣品，在氮氣氣氛下，650 ℃煅燒后，XRD表明，在氮氣氛下制備的LLZO為立方石榴石晶相，含有少量的LiLaO2雜相。說明即使在惰性氣氛下，氧化石墨烯模板含量較低時，部分還原后，對石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的成相沒有明顯影響。同時，由于最終樣品中含有還原氧化石墨烯，會提高材料的電子電導率，使材料轉(zhuǎn)變成離子/電子的混合導體，在固態(tài)鋰電池的復合正極中有望有所應用，基于這種離子/電子混合導體材料，我們也在開展后續(xù)的電池研究。

2.3 石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的形貌

添加1% 含量GO與未添加GO的LLZO在650 ℃下煅燒后，獲得粉體的掃描電子顯微鏡（SEM）如圖6所示。如圖6（a）和（b）所示，雖然煅燒溫度只有650 ℃，但是獲得的固體電解質(zhì)粉體出現(xiàn)了團聚現(xiàn)象，特別是未添加GO的LLZO樣品，團聚更為嚴重，團聚后的二次顆粒尺寸較大；反觀添加1%含量GO的LLZO樣品，雖然也出現(xiàn)了團聚現(xiàn)象，但是團聚后的二次顆粒尺寸較小，而且更為均勻。如圖6（c）和（d）所示，高倍SEM結(jié)果表明，未添加GO的LLZO樣品的一次顆粒尺寸明顯大于添加1%含量GO的LLZO樣品的一次顆粒尺寸。說明添加氧化石墨烯可以在一定程度上抑制納米粉體的團聚，獲得顆粒尺寸更小的納米粉體。事實上，采用液相法制備納米粉體，團聚問題一直是難以解決的問題，本文的結(jié)果表明：基于氧化石墨烯納米片的物理分隔，以及在后續(xù)高溫煅燒時產(chǎn)物的揮發(fā)，可以在一定程度上抑制納米粉體的團聚，獲得尺寸更小的納米粉體。Geng等［16］也報道了利用氧化石墨烯納米片的物理分隔效應，制備分散性較好的沸石晶體。

圖6 含有和不含1%GO的LLZO納米粉體的SEM圖像比較Fig.6 Comparison of SEM images for LLZO nanopowders with and without 1% GO

2.4 石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的透射電子顯微鏡分析

添加1%含量GO制備的LLZO的高倍透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）圖如圖7所示。由圖7可知，高倍TEM圖像顯示添加1% 含量GO制備的LLZO的［211］、［422］、［444］以及［822］平面，對應的面間距分別為0.524、0.261、0.187以及0.149 nm，而單一的立方石榴石晶相（PDF：45-0109）的XRD標準卡片中的［211］、［422］、［444］以及［822］平面對應的晶面間距分別為0.526、0.263、0.186和0.151，兩者的數(shù)據(jù)較為一致。LLZO的TEM圖像表明了，使用共沉淀方法在加入1%含量GO在較低溫度下（650 ℃）制備出的LLZO固體電解質(zhì)納米粉體為立方石榴石相。

圖7 添加1% GO制備的LLZO的高倍TEM圖Fig.7 High resolution TEM（HRTEM）images of LLZO prepared by adding 1% GO

2.5 石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的粒度及孔徑分析

650 ℃下未添加GO與添加1%含量GO制備的LLZO的粒度分析如圖8所示。由圖8可知，添加1%質(zhì)量比GO制備出的LLZO粉體的平均粒徑為547.2 nm，要明顯小于未添加GO制備出的LLZO粉體的平均粒徑值（679.1 nm）。這表明，由于GO的加入，使制備出的LLZO粉體更細，性能更好。

圖8 不添加GO與添加1% GO制備的LLZO的粒度分析圖Fig.8 Granularity analysis diagram of LLZO prepared with and without 1% GO

650 ℃下未添加GO與添加1%含量GO制備的LLZO的比表面和孔徑分析如圖9所示。圖9中曲線為氮氣等溫吸脫附曲線，通過測試的數(shù)據(jù)可知，添加1%含量GO制備的LLZO粉體的比表面積為11.295 m2·g-1，未添加GO制備LLZO粉體的比表面積為8.431 m2·g-1，表明GO的加入使得制備的LLZO粉體的比表面積更大。

圖9 不添加GO與添加1% GO制備的LLZO的等溫吸脫附曲線圖Fig.9 Isothermal adsorption/desorption curves of LLZO prepared with and without 1% GO

孔徑分布如圖10所示。通過測試的數(shù)據(jù)可知，添加1% 含量GO制備的LLZO粉體的孔體積為0.073 cm3·g-1，未添加GO制備的LLZO粉體的孔體積為0.061 cm3·g-1，孔徑主要分布于2～30 nm，表明在粉體中存在介孔結(jié)構(gòu)。

2.6 石榴石型固體電解質(zhì)片的交流阻抗分析

1 100 ℃煅燒12 h制備的LLZO片的交流阻抗譜如圖11所示。

圖10 不添加GO與添加1%GO制備的LLZO的孔徑分布圖Fig.10 Pore size distribution curves of LLZO prepared with and without 1% GO

圖11 添加1% GO制備的LLZO片的交流阻抗圖Fig.11 Alternating current impedance diagram for LLZO sheets with 1% GO

通過阻抗圖譜發(fā)現(xiàn)，在10-1～106Hz的頻率范圍內(nèi)只得到一條直線，由交流阻抗譜圖中直線與橫軸的交點可得到LLZO片總電阻的值，從而求得固態(tài)電解質(zhì)的電導率為

式中：r為LLZO固體電解質(zhì)片的半徑；l為LLZO固體電解質(zhì)片的厚度；R為從交流阻抗圖譜中得到的總電阻。

通過計算得出LLZO固體電解質(zhì)片室溫下的電導率約為2.5×10-4S·cm-1。

3 結(jié)束語

本文報道了氧化石墨烯輔助低溫液相法合成石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的研究。利用氧化石墨烯表面負電荷特性，結(jié)合化學共沉淀方法，實現(xiàn)了低溫制備固體電解質(zhì)納米粉體，并在一定程度上抑制了納米粉體的團聚。實驗結(jié)果表明：氧化石墨烯可以促進石榴石的成相，添加1%含量氧化石墨烯，可以在較低溫度（650 ℃）下成功制備出單一石榴石立方相的固體電解質(zhì)納米粉體。氧化石墨烯添加量為1%，煅燒溫度為650 ℃，氮氣氣氛下，可以獲得離子/電子混合導體材料，且仍然為立方石榴石相。氧化石墨烯納米片可以部分抑制石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的團聚，獲得固體電解質(zhì)納米粉體的一次顆粒的尺寸約為10～20 nm，平均粒徑約為547.2 nm，比表面積約為11.295 m2·g-1，均優(yōu)于未添加氧化石墨烯的粉體性能。采用此石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體制備出的固體電解質(zhì)片通過交流阻抗測試，室溫下電導率約為2.5×10-4S·cm-1。本研究還表明：以氧化石墨烯作為模板材料，結(jié)合共沉淀法，可以降低石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的成相溫度，抑制石榴石型固體電解質(zhì)納米粉體的團聚，獲得尺寸更小、更均勻的納米固體電解質(zhì)，從而有望應用到固態(tài)鋰電池中。