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锂离子电池是一种高效的电能存储技术,被广泛应用于人类社会的各大领域中,例如新能源汽车和便携式电子设备。传统锂离子电池大多采用液态电解质作为锂离子的传输媒介,使用过程中存在漏液、易燃和爆炸等安全隐患。采用安全性更高的固态电解质替代液态电解质则有可能解决这一问题。在众多的无机固态电解质材料中,石榴石型锂镧锆氧化物(Li7La3Zr2O12,LLZO)无机固态电解质因其优良的热稳定、高离子电导率和较宽的电化学窗口等特点,而受到广泛关注。然而,具有良好离子导电性的立方相LLZO在室温下极不稳定。金属阳离子掺杂是稳定LLZO室温下立方相和提高离子电导率的有效途径,但由于可掺杂元素种类众多、工艺参数变量复杂,基于传统“试错”的掺杂实验方法效率低下,难以满足对LLZO固态电解质材料离子电导率进一步提高的研发需求。高通量实验是近年来兴起的材料研究新方法,其本质是在一次实验中同时制备多个不同组分和工艺参数的样品,然后通过高通量表征技术实现对材料性能的快速测试,从而大大提升实验效率。高通量制备和高通量表征是高通量实验的两个核心环节,前者的关键在于将多种元素系统性的混合,然后使材料之间充分扩散形成晶体或非晶结构;后者基于现代化表征方法对制备的高通量组合材料样品库进行串行或并行的快速测试。本文基于高通量实验方法对正三价过渡金属氧化物掺杂的LLZO固态电解质材料进行研究,主要研究内容和创新点包括以下几个方面:1、基于磁控溅射方法发展了一种LLZO-In2O3(In3+掺杂LLZO)高通量组合材料样品库制备工艺。针对大面积薄膜均匀沉积问题,通过物理场仿真的方法对磁控溅射阴极物理场进行建模仿真,并根据仿真结果对靶材的有效沉积区域进行优化,实现了薄膜均匀分布,满足高通量组合薄膜样品库的制备需求。针对LLZO材料真空沉积过程中出现的贫锂问题和样品库多层膜扩散不均匀问题,设计了基于多层膜叠层结构的前驱体,在保证正确的化学计量比前提下,采用Li2CO3膜层有效补充Li源。通过将单层膜厚度控制在10 nm以下,并经过低温扩散退火热处理,实现了LLZO-In2O3高通量组合材料样品库多层膜之间的均匀扩散。2、研究了不同结晶热处理温度对In2O3掺杂LLZO高通量样品晶体结构和电学性能的影响。XRD、SEM和交流阻抗谱测试结果表明,600℃、700℃和800℃退火条件下,所有样品均形成了c-LLZO相,随着退火温度升高,样品晶粒生长,薄膜中孔隙也随之增大,导致离子电导率降低。此外,通过800℃下退火的In2O3掺杂样品和无掺杂样品的对比发现,In3+掺杂可以撑大立方LLZO晶格尺寸,减弱相邻Li+之间电荷排斥力作用,从而稳定其立方相结构。3、基于所开发的高通量合成工艺制备了LLZO-In2O3高通量组合材料样品库,并研究了In2O3掺杂含量对LLZO离子电导率的影响规律。结果表明,LLZO-In2O3离子电导率随着In2O3掺杂含量的增加呈现先增大后减小的趋势,适量掺杂可以撑大晶格尺寸减小Li+传输势垒,过量掺杂则会导致晶格畸变加剧,晶界阻抗增大,离子电导率降低。综合来看,最优掺杂含量在810 at.%范围内,其中掺杂含量为8 at.%的样品具有最高的离子电导率1.1×10-44 Scm-1。