[发明专利]一种NASICON结构钠离子固体电解质的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种NASICON结构钠离子固体电解质的制备方法，属于固体电解质及制备技术领域。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，能源危机和空气污染已成为制约我国乃至全球经济可持续发展的重大问题。为提高汽车产业竞争力、保障能源安全和发展低碳经济，新能源汽车产业化已成为国际汽车产业界的战略共识和我国科技发展的重大战略需求。2015年2月，科技部《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案（征求意见稿）》中明确将动力电池列为发展新能源汽车重点突破的关键核心技术之一，并提出2020年轿车动力电池的单体比能量应达到300瓦时/公斤的具体目标。因此，开发适用于电动汽车的高能量密度电池体系是摆在我国科研工作者面前的迫切任务。

当前，新能源汽车的动力和储能系统虽然以锂离子电池为主，但因存在初期购置成本高、充电时间长（3～4小时）、比能量密度低（150～200瓦时/公斤）、EV续航里程短（国外400～500公里，国内150～200公里）、充电配套设施少、存在安全隐患等商业化瓶颈，使其市场认可度较低，推广速度远达不到2020年新能源汽车保有量达500万辆的规划目标。

锂电池的另外一个问题就是安全隐患，它使用的是有机电解液，在过度充电或过度放电之后容易导致电解液发热，从而诱发电池自燃或爆炸。这就使得锂离子电池在使用过程中需要一个冷却装置将电池的温度降到一定范围之内，从而防止热量聚集，以延长电池寿命，这也降低了锂离子电池的能量密度。

固态锂离子电池的能量密度比目前商业化锂离子电池要高，安全性也提高，且循环寿命长，相比传统的电池通常使用液体电解质，可能会遇到损害电池阴极的不良化学反应，用固态离子导体代替液体电解质，电池的稳定性和使用寿命都会有所提高，不需要额外的元件使其保持稳定，电池也可更小，提供更高的功率或存储密度。

根据美国地质调查局USGS对锂资源数据的分析，全球锂资源基础储量约为58M吨(以碳酸锂计)，可开采储量约25M吨，按目前全球碳酸锂消耗速度为7～8万吨/年，预计可采时间不过50年。我国锂资源更为紧缺，2012年我国锂资源储量为1.86M吨（以碳酸锂计），但锂资源利用率低，基础锂盐生产企业的原料长期依靠进口，锂矿自给率仅20%左右。假设我国电动车产量达到汽车总产量的10%，则电动汽车行业对动力电池的总需求量将超过1亿5000万kWh/年；按目前1kWh锂离子电池消耗碳酸锂约0.5kg计，则每年将需要近7.5万吨的碳酸锂，我国锂资源支撑年限不到25年，依赖于锂的车辆会使我国很快进入比现在所面临的石油紧缺更为严重的能源危机。而钠元素在地球上的储量是锂元素储量的400多倍，因此钠系电池的大规模应用不会受到资源的限制，同时也可大大降低生产成本。

在全固态电池体系，载流子在固体电解质中的迁移速率往往远小于电极表面的电荷转移及正极材料中的离子扩散速率而成为整个电池反应动力学中的速率控制步骤，因此制备具有较高离子导电率的固体电解质是构建安全、高能量密度全固态电池的关键。在NASICON结构的Na_1+xZr₂Si_xP_3-xO₁₂（0.4<x<2.8）固体电解质中，四面体PO₄和八面体MO₆（如M=Zr）共同组成的网架结构，产生了结构上的空穴及可填充的配位使得钠离子通过，是一种极有前途高钠离子电导率的固态电解质。本发明改进原有高温烧结法，通过采用冷等静压及两步烧结的方法，得到离子电导率极高的固体电解质，推进其在全固态电池、金属-空气电池、固体电化学传感器等领域的应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种NASICON结构钠离子固体电解质的制备方法。通过本发明制备得到的NASICON结构钠离子固体电解质化学通式为Na_1+xZr₂Si_xP_3-xO₁₂（0.4<x<2.8），本方法提高了材料的致密度，进而提高其离子电导率，推进其在全固态电池、金属-空气电池、固体电化学传感器等领域的应用，本发明通过以下技术方案实现。

一种NASICON结构钠离子固体电解质的制备方法，其具体步骤如下：