[发明专利]一种反钙态矿类钠离子固体电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种反钙态矿类钠离子固体电解质及其制备方法和应用。该固体电解质的化学式为Na_3+aM_pA_yB_zX_mY_n；其中‑0.05≤a≤0.45；M为正二价、正三价或正四价金属元素，0≤p≤0.05；A选自负二价、负三价或负四价非金属元素，y＞0；B选自负二价非金属元素，z≥0；X、Y各自独立的选自卤素或负一价基团，m≥0，n≥0。与现有的Na₁₁Sn₂PS₁₂固体电解质(一维钠离子输运模式)相比，该钠离子电池固体电解质具有三维等同的超快离子传输能力，扩散激活能更低，钠离子电导率更高，且与金属Na电极具有良好的电化学兼容性，可以很好的满足钠离子全固态电池的应用需求。

技术领域

本发明属于钠离子电池领域，具体涉及一种反钙态矿类钠离子固体电解质及其制备方法和应用。

背景技术

研究钠离子全固态电解质替代钠电液态有机电解质，有望从根本上解决现今液态电解质电池易燃的安全隐患以及锂资源的匮乏问题。然而，以液态电解质的离子电导为标准(钠离子电导大于1mScm^-1)，在固体电解质中实现Na离子的快速输运仍然极具挑战。

传统氧化物固体电解质，如钠硅磷酸盐型Na_1+xZr₂Si_xP_3-xO₁₂(NZSP，0≤x≤3)固体电解质，在298K温度下的钠离子电导率最大为0.1mScm^-1；Na₃V₂(PO₄)₃(NVP)在25℃温度下的钠离子电导率为0.18mScm^-1。这些含氧固体电解质的钠离子电导率均低于1mScm^-1的行业标准。

近年来，随着硫化物固体电解质相关研究工作的进行，某些硫基固态电解质表现出较高的钠离子电导。其中，Na₁₀SnP₂S₁₂被公认是现阶段最好的固态电解质之一。在室温条件下，其钠离子电导可以超过0.4mScm^-1，扩散激活能为0.317eV。然而，该类材料的离子电导与晶粒的取向分布密切相关，只有当大部分晶粒的c-轴向均接近离子输运方向时，电解质的离子电导才能充分发挥出来。在Na₁₀SnP₂S₁₂的基础上，具有四角相的Na₁₁Sn₂PS₁₂固体电解质被合成，其钠离子电导大幅度提高，据报道在室温条件下可达到1.4mScm^-1，远远大于液态电解质中的钠离子电导。但是，该材料与金属Na接触时，电化学性质不稳定，因而妨碍其在全固态电池技术中的实际应用。因此，探寻并构造新型各向同性且稳定的超快钠离子电解质，对于突破固体钠电池的技术壁垒，具有十分重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反钙态矿类钠离子固体电解质，从而解决现有钠离子固体电解质存在的钠离子电导性能差或与金属钠电极的电化学兼容性差，无法在钠离子全固态电池中应用的问题。本发明还提供了上述钠离子固体电解质的制备方法及应用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：