[发明专利]锂镧锆氧固体电解质材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，涉及一种锂镧锆氧固体电解质材料及其制备方法与应用。

背景技术

自二十世纪九十年代初商用化以来，锂离子电池凭借着其较高的能量密度与功率密度，在电子消费产品，如移动电话、笔记本电脑与数码相机等领域，逐步占据了越来越大的市场份额。随着国民经济的不断繁荣，与现代科技水平的不断提升，锂离子电池在当今社会又大大扩展了其应用领域。如近年来为降低二氧化碳排放而兴起的电动汽车，以及伴随电子器件小型化、集成化而产生的薄膜电池等。锂离子电池技术的改进与完善，扩展了其应用领域，同时新的使用条件又对锂离子电池提出了更为苛刻与高端的要求；两者相互影响与促进，带动了科学研究与产业经济的共同进步。

目前，在市场上广泛使用的锂离子电池采用的是液态或凝胶态的电解质，两者的共同特点是使用了易燃易爆的有机物以及具有一定的流动性，这给锂离子电池的使用带来了安全隐患，如，电池在某些条件下会由于封装不好而发生漏液，或在温度升高时发生爆炸。这些事故将造成人身与经济的损失。同时，对于某些特殊场合的使用，如为高度集成的小型电子产品提供能量，或者在较宽的温度范围内实现稳定储能等，现有的离子电池技术受到了严峻的挑战。

针对上述问题，使用固体电解质(快离子导体)是最佳的解决方案之一。固体电解质由于自身独特的物理、化学性质，可杜绝漏液与爆炸等安全事故；同时固体电解质一般具有良好的热稳定性、电化学稳定性及机械加工性，这些特点又使其能够满足很多苛刻的环境要求与使用条件。然而，目前限制固态电解质使用的最大瓶颈问题是其电导率较低，不能够满足目前锂电池使用要求。因此，寻找并合成具有高锂离子电导率的固体电解质材料就成为其核心问题。

在目前见诸报道的固体电解质材料中，具有立方石榴石结构的锂镧锆氧是一种极具应用前景的材料，其化学式可写成Li₇La₃Zr₂O₁₂(简写作LLZO)。在室温条件下，其离子电导率可以达到10^-4S/cm的量级，这一指标已较接近实用化(10^-3S/cm)。此外，与其它固体电解质材料相比，LLZO还具有十分良好的热稳定性与电化学稳定性，在电池的循环寿命与可靠性等方面更具优势。在合成锂镧锆氧材料的过程中，锂元素易挥发，所以常常要采取在原料中引入过量锂源的保护措施。一种常用的方法是按照化学元素配比，混合原料中采用10％的锂元素过量。然而，该含量具有一定的经验性与盲目性，同时也造成了较大的锂原料浪费。如果能够降低原料中锂元素的含量，同时又不引起电导性能的显著劣化，那么将具有很大的实际意义与经济价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂镧锆氧固体电解质材料及其制备方法与应用。

本发明提供的锂镧锆氧固体电解质材料，分子式如Li_7+xLa₃Zr₂O_12+0.5x所示，其中，-0.35≤x≤+0.35。

所述分子式中，x具体可为-0.35至-0.21、-0.35至-0.14、-0.21至-0.14、-0.21至0、-0.14至0、-0.35至0或0至0.35。所述锂镧锆氧固体电解质材料的结构为立方相的石榴石结构；所述锂镧锆氧电解质材料在室温下的总离子电导率大于1×10^-4S/cm，具体可为1.38×10^-4-1.6×10^-4S/cm、1.6×10^-4-1.92×10^-4S/cm、1.38×10^-4-4.34×10^-4S/cm、1.38×10^-4-2.11×10^-4S/cm、1.6×10^-4-2.11×10^-4S/cm、1.6×10^-4-4.34×10^-4S/cm、2.11×10^-4-4.34×10^-4S/cm、1.92×10^-4-2.11×10^-4S/cm或1.92×10^-4-4.34×10^-4S/cm，优选1.38×10^-4-1.92×10^-4S/cm。