1. 研究目的与意义（文献综述）

锂离子电池自1991年商业化以来一直被认为是最具前景的化学储能设备。然而，有机液态电解质的易燃性、漏液以及容易形成枝晶带来的安全问题阻碍着锂离子电池在大型储能方面的应用。近年来，全固态锂离子电池因其良好的热稳定性和安全性及潜在的高能量密度和功率密度受到人们广泛关注，尤其是它可以很好地解决传统锂离子电池存在的安全问题。相对传统液态电解质，无机固态电解质在易燃、漏液和枝晶形成方面具有巨大的优势。同时，无机固态电解质具有优越的化学、机械和热稳定性，以及电池小型化的可能性。立方相石榴石结构li₇la₃zr₂o₁₂(llzo)由于其较高的总锂离子电导率(~2 × 10^#8722;4s/cm)，较宽的电化学窗口（gt;5v），较低的电子电导率以及优良的化学和热稳定性，尤其是它对锂金属的稳定性，成为了一种理想的锂离子电池固态电解质。

2007 年， r. murugan 等首次报道了采用传统固相烧结法制备了li₇la₃zr₂o₁₂（llzo）固体电解质，以氧化物和氢氧化物为原料，分别在900°c和1125°c 进行热处理，然后在1230°c 下烧结36h 制备得到立方相llzo。传统固相法的特点是烧结温度高（gt;1200°c）、烧结时间长（gt;36h），且需要重复热处理。在传统固相烧结法中，为确保氧化物前体彻底反应，需要反复高温热处理和间歇磨粉，烧结温度高达1230℃，烧结时间长达36h 以上，高温烧结易导致锂元素的损失，且常常导致杂质相和al 掺入（氧化铝坩埚），过长的烧结时间导致高成本和低效率。由此可见，高电导率、稳定立方相llzo 的研究意义明确，然而目前的研究进展表明：现有的制备方法存在锂元素在高温烧结过程中的挥发、损失难以有效控制，以及制备效率低和样品性能差的问题。因此，高致密、稳定立方相llzo 的低温、快速高效制备成为亟待解决的问题。

本研究针对低温、高效合成llzo粉体的可行性进行多方向探索，初步目标为将其合成温度降至1000°c以下（传统固相反应法为1150°c~1230°c），合成时间降至12h以下，通过控制单一变量的方法，探究烧结时间、烧结温度与原料配比对llzo物相（立方相、四方相）的生成和杂相（la₂zr₂o₇）消除的影响，确定llzo立方相粉体的最佳合成工艺。在此基础上，探索掺杂元素对llzo立方相陶瓷的稳定性和离子导电性能的影响。另外，为降低固态电解质与电极的接触电阻，后续将研究固体电解质与电极之间的界面特性，提高llzo与正负极之间的导电率。

2. 研究的基本内容与方案

a 研究内容

研究固相反应法快速低温合成llzo（li₇la₃zr₂o₁₂）粉体的可行性及其适宜温度，探究烧结时间、烧结温度与原料配比对llzo物相的生成和杂相（la₂zr₂o₇）消除的影响，确定llzo立方相粉体的最佳合成工艺，结合相关理论分析固相反应法快速低温合成llzo立方相粉体的机理；探索掺杂元素对llzo立方相陶瓷的稳定性和离子导电性能的影响；研究固体电解质与电极之间的界面特性，提高llzo与正负极之间的导电率。

b 研究目标

3. 研究计划与安排

1）第1－2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确定方案，完成开题报告；

2）第3－6周：研究固相反应法快速低温合成llzo立方相粉体的可行性及其最佳条件，并进行物相和微观结构表征，结合相关理论对其合成机理进行阐述；

3）第7－14周：探索掺杂元素对llzo立方相粉体与陶瓷合成及其离子导电率性能的影响，优化电极和固体电解质之间的界面接触，改善li 传导问题；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] [1] kimura t, yamada y, yamamoto k, et al. rapidlow-temperature synthesis of tetragonal single-phase li₇la₃zr₂o₁₂ [j]. journal of the american ceramic society, 2017,100(4): 1313-1319.

[2] [2] bitzer m, gestel t v, uhlenbruck s, et al.sol-gel synthesis of thin solid li₇la₃zr₂o₁₂,electrolyte films for li-ion batteries[j]. thin solid films, 2016, 615:128-134.

[3] [3] rosenkiewitz n, schuhmacher j, bockmeyer m,et al. nitrogen-free sol–gel synthesis of al-substituted cubic garnet li₇la₃zr₂o₁₂, (llzo)[j].journal of power sources, 2015, 278:104-108.