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全固态电池由于其优秀的安全性、高能量密度、低自放电率以及稳定的长循环寿命被认为是新一代锂离子电池的发展方向。在全固态电池中由固体电解质材料取代了传统二次电池中的有机电解液,而由于固体电解质材料与正负极物质所形成的固/固界面之间差的浸润性与兼容性,巨大的界面阻抗使锂离子在固/固界面间的传输受到阻碍。因此,根据固体电解质材料中离子的输运特性对固/固界面进行改善,是发展全固态电池的关键。为此本研究论文主要工作如下:通过改进的溶胶-凝胶法制备了不同AL3+掺杂量的磷酸钛铝锂(LATP)固体电解质材料,并探究了随着AL3+掺杂量的增加,对磷酸钛铝锂固体电解质材料的相对密度的影响,以及AL3+掺杂对其锂离子电导率的影响。研究表明,随着Al3+的引入使LATP固体电解质材料的相对密度显著提高,但并没有随着掺杂量的增加而进一步提高。对不同掺杂量的样品的形貌分析也得到了类似的变化规律。交流阻抗的结果得到掺杂量为0.3的样品获得最高的离子电导率为1.048× 10-4 S/cm,并根据阿伦尼乌斯方程得到其锂离子扩散活化能为0.308eV。以固态电解质材料磷酸钛铝锂(LATP)为基础,与两种成熟的正极材料钴酸锂(LiCoO2)与磷酸铁锂(LiFePO4)复合制备缓冲材料。并对两种复合材料进行了结构表征,形貌观察,选取烧结温度为700℃的复合材料进行深入研究。讨论了两种复合材料的具体组分,离子电导性,电子电导性,以及电化学稳定性。结果表明两种复合材料具有良好的离子电导(离子扩散系数分别为1.24×10-10cm2S-1,3.43× 10-12cm2S-1)与电子电导(与半导体的电子电导性相似)。由循环伏安测试与恒电流充放电测试,确定两种复合材料在模拟固态电池工作条件的电化学循环过程中(CV测试电压范围:0-5V,恒电流充放电测试的电压范围:3.0-4.3V)的起始阶段会有一个微弱的活化过程,即发生一个氧化反应(拔锂过程),并在充放电循环的首周充电过程中贡献55mAh/g左右的比容量,并在之后的电化学循环中保持稳定。这确保了其在全固态电池的循环过程中的稳定性。引入缓冲层的全固态电池在室温与0.1C的测试条件下,对于两种不同活性物质材料的全固态电池有良好的电化学表现(LiCoO2和LiFePO4固体电池在100周后具有约150mAh/g和155mAh/g的稳定充电和放电容量)。通过高能离子束(FIB)技术在循环前后的复合正极中正极材料与缓冲层的界面处精准取样,进行界面形貌与元素分布分析。结果表明,缓冲层的引入以一种过渡区域将尖锐的点对点接触转换为面对面接触,这使离子在界面上平稳传输。循环后界面发生明显的结构演变,推导出在电化学循环中发生的副反应以及产生的反应应力,但是全固态电池依然保持良好的稳定性和电化学性能,可见引入的缓冲层所构建的桥接结构对消除副反应带来的产物与应力有吸收作用。在循环后的界面上形成一种富碳贫氧的无定形中间相,与循环前的界面元素分布截然不同。这些富碳贫氧中间相无疑对保持长循环周期内固态电池的离子电导有重要帮助,而这种中间体的形成动力学仍不明确。此外,LiCoO2电池的容量保持率不如LiFePO4电池的容量保持率,这应该主要归因于表面Co离子在LiCoO2电极处的严重催化作用,这里对应于界面区域。因此,具有Co离子的界面区域的稳定性将弱于具有Fe离子的界面区域的稳定性。另一方面,用于制备电极层的粘合剂PVDF在Co离子的催化作用下则会加速分解,这不仅有助于形成富碳中间体,而且还会加剧电池的不稳定性和界面结构的降解,进而影响固态电池的电化学性能。