[发明专利]纳米级磷酸钛铝锂材料、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种纳米级磷酸钛铝锂材料、其制备方法及应用。该制备方法包括将钛源、锂源、磷源、铝源、醇类溶剂依次加入酸性络合剂水溶液中，得到液溶胶进行干燥，得到干凝胶在空气氛围下进行第一烧结，随后在惰性气体氛围下进行高温第二烧结，最后在空气氛围下进行第三烧结，得到纳米级磷酸钛铝锂材料。本发明在制备过程中加入了一次惰性气体氛围烧结过程和两次空气氛围低温烧结过程，在惰性气体氛围下形成碳包裹网络抑制磷酸钛铝锂晶体的生长，在空气氛围下去除碳网络并使磷酸钛铝锂进行结晶，低温也不会促进晶粒生长，因此制得的磷酸钛铝锂材料具有＜40nm的颗粒尺寸，30～60nm的粒径分布，以及超高的相对密度和离子电导率。

技术领域

本发明涉及锂离子电池固态电解质材料技术领域，具体而言，涉及一种纳米级磷酸钛铝锂材料、其制备方法及应用。

背景技术

随着环境问题和能源问题的日益严峻，新能源汽车成为现阶段的热点，其中锂离子电池由于具有高能量密度、低成本且对环境友好等优点广泛作为电动汽车的动力源，成为全世界企业和科研机构研究的重点。目前，商业化的锂离子电池普遍为使用有机电解液的液态电池，在实际使用过程中存在漏液等风险，严重时甚至会导致电动汽车自燃。发展固态电池则可以避免这些问题从而提高电池的安全性，同时固态电池还具有更高的能量密度及更低的成本，但低的离子电导率制约了其商业化进程，因此开发出具有高离子电导率的锂离子固态电解质材料迫在眉睫。

NASICON型锂离子导体固态电解质材料Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃因具有优异的稳定性，高离子电导率(～10^-4s/cm)以及高电化学氧化电位(～6V vs Li/Li⁺)等优点，在固态电池领域受到越来越多的关注。根据文献Maier,J.Solid State Ionics 2000,131,13-22.所述观点，颗粒尺寸对离子电导率起着至关重要的作用，因此具有纳米级别粒径的磷酸钛铝锂材料(LATP)表现出优异的离子电导率。目前，合成LATP的常规方法主要有：固相反应法、溶胶-凝胶法和熔融-淬火法。然而，通过这些合成方法制备的LATP粒径通常较大且团聚体较多，必须经过剧烈的球磨才能获得纳米级LATP，且粒径普遍大于100nm。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种纳米级磷酸钛铝锂材料、其制备方法及应用，以解决现有技术中纳米级磷酸钛铝锂材料因粒径较大、团聚较多导致离子电导率较低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种纳米级磷酸钛铝锂材料的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，获取锂源、铝源、钛源、磷源、酸性络合剂和醇类溶剂；步骤S2，将酸性络合剂配制成酸性络合剂水溶液，将钛源加入到酸性络合剂水溶液中，得到第一混合溶液；步骤S3，将锂源和磷源加入到第一混合溶液中，得到第二混合溶液；步骤S4，将铝源加入到第二混合溶液中，得到第三混合溶液；步骤S5，将醇类溶剂加入到第三混合溶液中，得到液溶胶；步骤S6，调节液溶胶的pH为6～8，得到中性液溶胶，将中性液溶胶进行干燥，得到干凝胶；步骤S7，将干凝胶在空气氛围下进行第一烧结，升温至200～500℃烧结2～6h，得到预脱碳干凝胶；步骤S8，将预脱碳干凝胶在惰性气体氛围下进行第二烧结，先升温至300～600℃烧结3～7h，随后升温至700～950℃烧结2～6h，得到纳米级磷酸钛铝锂材料前驱体；步骤S9，将纳米级磷酸钛铝锂材料前驱体在空气氛围下进行第三烧结，升温至300～600℃烧结18～22h，得到纳米级磷酸钛铝锂材料；其中，纳米级磷酸钛铝锂材料的D50为30～60nm。

进一步地，锂源、铝源、钛源和磷源的摩尔比符合以下化学通式：Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃，其中，x为0.3～0.5。