[发明专利]具有对称梯度孔结构的固体电解质陶瓷材料及其制备方法和应用

说明书

具有对称梯度孔结构的固体电解质陶瓷材料及其制备方法和应用，涉及一种固体电解质陶瓷材料及其制备方法和应用。是要解决现有固体电解质材料的锂离子电导率低，固态电解质层厚度大，电池内阻过大的问题。固体电解质陶瓷材料包括三层结构，中间为致密层，两侧为多孔层，所述多孔层的孔径呈梯度排列，孔径沿远离致密层方向依次增加，在多孔层形成依次渐变的梯度孔隙结构。方法：一、采用固相烧结法、溶胶‑凝胶法、甘氨酸燃烧法或共沉淀法制备粉体；二、制备电解质；三、制备致密电解质薄片；四、酸刻蚀；五、在三层结构陶瓷的一个面上均匀沉积电子导电层，得到三层结构的固体电解质陶瓷材料。本发明用于陶瓷材料领域。

技术领域

本发明涉及一种固体电解质陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂空气电池具有远高于锂离子电池的理论能量密度，现如今俨然成为新一代高比能移动电源的代名词。目前，人们生活和工作中所用的便携式设备，如个人电脑、智能手机、ipad等绝大多数都采用锂离子电池供电。然而在电动汽车领域，当下的锂离子电池远远不能满足能量密度的需求。相关数据显示，电动车想要实现商业化，电池能量密度至需要达到250W·h/kg，但目前的电池厂商量生产的锂离子动力电池单体能量密度仅为165-180W·h/kg。当单体电池组成系统时，其它一些非活性材料如外包装、控制系统等的加入会造成能量密度的进一步降低，最终导致电动汽车的续航里程至今仍无法满足消费者的预期。这也严重制约了电动汽车的技术发展和市场的受欢迎程度。提高动力电池的能量密度已成为推动电动汽车产业快速发展的首要任务。

最近，锂离子电池的升级产品“锂空气电池”吸引了学术界和工业界的广泛关注。如果能最终研发成功并商业化，将对电动汽车行业乃至整个电能存储领域产生革命性的影响。根据锂金属质量计算的二次锂空气电池的理论能量密度高达11400W·h/kg，接近于汽油的能量密度(13000W·h/kg)，如果计入来自于空气的反应物氧气的质量，其理论能量密度为3505W·h/kg(Li₂O₂)，按目前锂离子电池技术约1/3的能量实现效率估算，它的实际密度有望达到1000W·h/kg，是目前商业化锂离子电池的5倍。

与商业化的锂离子电池不同，锂空气电池是一个开放体系，它在工作过程中难免会与工作环境发生物质交换，最终导致有机电解液的易挥发，以及水蒸气和CO₂等对锂负极和反应产物的侵蚀，这是目前锂空气电池循环稳定性差的最主要原因。此外，液态有机电解液的易燃性还可能导致锂离子电池发生严重的安全性问题。由于越来越多的科学技术难题的暴露，研究者开始将更多的目光转移到固态锂空气电池上，采用固态电解质构筑固态锂空气电池，可从根本上解决非水系锂空气电池所面临的有机电解液易挥发的问题，同时它可以有效抵制外界非氧组分的入侵和腐蚀，此外它优异的机械强度还可以抑制锂枝晶的形成，避免电池内部短路。但是目前开发的固体电解质材料，其锂离子电导率相对较低(只有液态电解质的1/10)，并且由于固态电解质层厚度难以减小，一般为700μm～1000μm，造成电池内阻过大，电导率大约在10^-6Scm^-1-10^-5Scm^-1，同时活性物质与固态电解质接触界面和接触点也十分有限。

发明内容

本发明是要解决现有固体电解质材料的锂离子电导率低，固态电解质层厚度大，电池内阻过大的问题，提供固体电解质陶瓷材料及其制备方法和应用。