近年来锂离子电池快速发展,应用也更加广泛,然而由于在目前的锂离子电池中主要采用的是有机电解液或凝胶聚合物电解质,导致其存在易燃易爆的安全性问题,引起了人们的极大关注。固态电解质具备较高的离子电导率,良好的化学稳定性以及安全性和可靠性,成为当前研究的热点。本论文以Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZ）固态电解质为研究对象,探讨了不同制备合成工艺以及金属阳离子掺杂和加入烧结助剂对LLZ结构和性能的影响,研究了LLZ的相变过程及结构稳定性。采用热重和差热分析（TG-DSC）、X射线衍射分析（XRD）、显微结构分析（SEM和FESEM）、能谱分析（EDX）、拉曼光谱分析（Raman）和原子发射光谱分析（ICP）等手段对LLZ样品进行分析测试。对LLZ作为固态电解质的全固态锂电池进行了性能的测试和表征。采用高温固相法时,坯体的烧结温度和时间均会对LLZ陶瓷固态电解质的相结构产生影响。获得完整立方相结构LLZ的烧结温度须不低于1180℃,烧结时间须至少为15 h,但在高于1250℃时,会导致产物分解。在1180℃下烧结20 h所得LLZ样品的结晶度良好,结构完整,30℃时离子电导率可达2.85×10^-44 S cm^-1,激活能Ea为0.50 eV。与固相法相比,共沉淀法可降低LLZ粉体的合成温度,所得陶瓷固态电解质样品晶粒尺寸较小,导致材料中晶界含量增加,从而使总离子电导率降低,激活能增大。Al掺杂会引起Li_7-3xAl_xLa₃Zr₂O₁₂的相结构逐渐由四方相向立方相转化。Al³⁺取代Li⁺减少了材料中Li的含量,同时形成了锂空位,这对于提高固态电解质的离子电导率是有宜的。Al含量为x=0.3时,30℃下样品的离子电导率可高达3.73×10^-44 S cm^-1,激活能为0.42 eV。Ti⁴⁺掺杂提高了LLZ固态电解质的烧结致密度,同时高价态Ti⁴⁺可能会进入Al和Li的位置导致Li₂CO₃析出。30℃时Li₇La₃Zr_1.7Ti_0.3O₁₂的离子电导率为4.16×10^-44 S cm^-1,激活能为0.48 eV。Ti掺杂的LLZ固态电解质与金属Li接触时,表现出良好的化学稳定性。过量的H₃BO₃烧结助剂会阻碍Al进入LLZ晶格,从而影响相结构。此时,须先将加入Al的四方相LLZ进行处理后转化为立方相LLZ,再加入烧结助剂H₃BO₃。H₃BO₃烧结助剂可促进LLZ陶瓷的烧结致密化,提高材料的离子电导率,然而较高含量的H₃BO₃烧结助剂会产生过多的晶界玻璃相,从而降低样品的性能。低温立方相中所形成的锂空位,有助于Al³⁺更加容易的进入晶格内部,促使高温立方相的形成。石榴石型LLZ由四方相向立方相转变的过程是高价金属阳离子掺杂和晶格中Li空位共同作用的结果。Al³⁺取代Li⁺、Ce⁴⁺取代La³⁺、Nb⁵⁺取代Zr⁴⁺导致锂空位的产生,同时使四方相的晶格产生畸变,然而这种朝立方相结构转化的晶格畸变是一个逐渐增加的过程,因此控制高价金属阳离子的掺杂含量和原料中Li的配比量对于立方相石榴石LLZ的形成是必要的。循环伏安测试证明了LLZ固态电解质与金属Li接触时是稳定性的,可以应用到全固态锂电池中。在全固态锂电池LiFePO₄/LLZ/Li和LiCoO₂/LLZ/Li中,50℃下10μA cm^-2电流密度时,首次放电比容量分别可达107 mAh g^-1和75mAh g^-1,显示出较好的性能。在较大电流密度下,电池极化增大,氧化还原峰宽化,并出现明显偏移,充放电容量也明显衰减,性能变差。