[发明专利]一种锂离子固体电解质及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子固体电解质及其制备方法，属于锂离子电池技术领域，所述锂离子固体电解质是Al掺杂的LiHf₂(PO₄)₃基NASICON型锂离子固体电解质，所述固体电解质的化学计量式为Li_1+xAl_xHf_2‑x(PO₄)₃，其中0.1≤x≤0.5。所述固体电解质以LiNO₃、Al(NO₃)₃·9H₂O、HfO₂和(NH₄)₂HPO₄为原料，经过混合搅拌、干燥、预烧、球磨、压制烧结等工艺成型，通过控制元素掺杂量、烧结温度、烧结时间、烧结方式、锂盐含量工艺参数，制备出性能优良的固体电解质。本发明制得的固体电解质具有传输阻抗小、结构致密且电导率较高的优点。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子固体电解质及其制备方法。

背景技术

人类努力寻找的具有潜在应用价值的新材料已经成为现代科技进步的重要标志。社会需求毫无例外地驱使着科学家在能源领域展开新的研究和工作，价格低廉的石油几年后将不断耗尽，因此要加强可替代能源的研究。在可再生能源中，太阳能和风能是突出的能源选择，然而，阳光和风力的强度随着地理位置不断变化，其使用受到很多限制，研究的焦点转向蓄电池和燃料电池，用来储存和使用能源。

可充电锂离子电池(LIBs)是最有希望替代存储能源的候选者之一。此外，LIBs在当今消费电子市场中起着非常重要的作用，例如移动电子设备，笔记本电脑，数码相机和电动汽车，因此受到了极大的关注。然而，商业LIBs使用含有有毒和易燃的有机液体作为电解质，如LiClO4溶解在碳酸丙烯酯合成的电解液被广泛应用于锂离子电池中。这些电解液有一些致命的缺点，如工作温度范围受到限制、电解液溶解引起的电极材料的溶失，导致设备失效和电池形状不稳定等，具有严重的安全隐患。此外，使用这种有机电解质，电池循环过程中电极材料内Li枝晶的生长导致LIBs短路无法正常使用，有限的有机电解液的电化学口也限制了LIBs中电极材料的选择。为了解决这些问题，人们逐渐将研究焦点转向具有高安全性、高能量密度的全固态锂离子电池。使用固体电解质代替有机电解质将抑制电池循环过程中Li枝晶的形成和生长，并且与一些高能量密度的电极材料具有兼容性，可以实现电池的高能量密度。

固体电解质是全固态锂离子电池中重要的组成部分之一，其使用有助于提高锂电池安全性、能量密度和功率密度，拓宽电池工作温度范围和应用领域。NASICON型锂快离子导体具有较高的锂离子电导率，较宽的电化学窗口，且大多数对空气稳定，是一种很有前景的固体电解质材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于全固态电池中的NASICON型锂离子固体电解质及其制备方法，具有相比于现有技术更高的离子电导率，以解决上述现有技术不足的问题。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：一种Al掺杂的NASICON型锂离子固体电解质Li_1+xAl_xHf_2-x(PO₄)₃，在NASICON型结构中锂离子占据两种不同的位置M1和M2，这两个位置上的锂离子的部分占有率对锂离子的快速传导非常关键，尤其是在传导路径的交叉处需要空位以提高三维扩散结构。因此，NASICON型材料的离子电导率主要取决于离子浓度和结构框架的组成，通过相对化合价较小的异价离子进行部分取代，产生锂离子补偿，增加晶格中移动锂离子的浓度和流动性，同时减小陶瓷电解质的气孔率，从而提高离子电导率。