[发明专利]一种固体电解质及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种锂离子电池固体电解质及其制备方法。

背景技术

能源和环境之间的矛盾日趋严峻，而人类自身经济的飞速发展，必然对电子产业的需求越来越大，这又进一步加深了能源和环境的矛盾。为缓和及化解这些矛盾，科学研究的聚焦点落在高比能量、质轻、绿色安全的储能材料。与其他储能电池相比，锂离子电池具有能量密度高、自放电小、无记忆效应、工作电压高、循环寿命长及对环境友好等优点，是目前综合性能最好的新型绿色环保高能二次电池。在其他新型储能材料的研究取得突破性进展之前，二次锂离子电池将是未来储能材料的主要方式。

锂离子电池作为一种最方便的可携带能源，其应用已经渗透到民用以及军事应用等多个领域，包括手机、笔记本电脑、摄像机、数码相机等等。但接二连三的“电池召回事件”引发了人们对锂离子电池安全性问题的深度思考，由于锂离子电池使用低闪点、低燃点的易燃易爆有机溶剂作为电解质，电池在短路、过充、受热、受猛烈撞击等极端情况下极易起火燃烧甚至爆炸，从而给锂离子电池的生产、运输和使用带来了安全隐患。所以，采用新材料解决锂离子电池安全性问题迫在眉睫。

为了从源头上解决安全性问题，避免使用液体电解质是唯一的出路。越来越多的锂离子电池电解质的研发点落在了全固体电解质。全固体电解质不仅从源头上解决了锂离子电池的安全性问题，而且可以在高温环境下工作，这是其它电解质体系所不具备的，同时也为锂离子电池在苛刻的高温条件下工作提供了最佳选择。目前的固体电解质的研究主要集中在具有NASICON结构、LISICON结构、钙钛矿结构及类石榴石结构的锂离子固体电解质，但是，这些固体电解质仍然不尽人意，存在着价格昂贵、化学稳定性偏差、制备条件苛刻、离子电导率偏低、固体颗粒之间的境界电阻偏高等问题，仍需要进一步的发展和突破技术瓶颈。

单斜相锆酸锂Li₆Zr₂O₇是一种三维的锂离子导体，已经应用于高温下吸附二氧化碳气体的吸附剂，但是纯Li₆Zr₂O₇的离子电导率偏低，在固体电解质领域还没有得到广泛应用。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种离子电导率高、化学稳定性好的固体电解质，以及提供一种简单易操作、生产效率高、产品纯度高的制备上述固体电解质的方法。

为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种掺杂了M元素的单斜相锆酸锂晶体，其是在单斜相锆酸锂晶体中掺入有M离子，化学式组成为Li_6+yZr_2-xM_xO₇，其中x=0.01~0.4，M为正二价或正三价的金属元素，当M为正二价的金属元素时，y=2x，当M为正三价的金属元素时，y=x。

其中，所述M优选为Sc、Y、Lu、Al、Ga、In、La、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cu中的其中一种。

本发明所提供的掺杂了M元素的单斜相锆酸锂晶体，通过在单斜相锆酸锂晶体中掺入比锆离子Zr⁴⁺更低价的M离子（正二价或正三价）以取代晶格内部分的铌离子Zr ⁴⁺，使产生锂离子的填隙位置（interstitial site），增加了锂离子的数量。正是这种多余的锂离子的填隙，犹如在锂离子之间搭了桥，增加了锂离子的通道，使锂离子与锂离子之间的间隙（gap）减少，加速了锂离子的迁移运动，因此具有较高的离子电导率和化学稳定性,可用于制备锂离子电池固体电解质。经交流阻抗测试结果证明，采用本发明的掺杂了M元素的单斜相锆酸锂晶体所制备得到的锂离子电池固体电解质，比没有掺杂的纯相的单斜相锆酸锂（Li₆Zr₂O₇）的离子电导率提高了约两个数量级，电化学稳定性能也有所提高。

进一步的，本发明提供了一种制备上述掺杂了M元素的单斜相锆酸锂晶体的方法，包括以下步骤：

步骤1、按照化学式Li_6+yZr_2-xM_xO₇，换算出所需锆源化合物、M源化合物和锂源化合物的质量，然后分别准确称取等于换算值的锆源化合物、等于换算值的M源化合物以及不低于换算值的锂源化合物，其中，x=0.01~0.4，M为正二价或正三价的金属元素，当M为正二价的金属元素时，y=2x，当M为正三价的金属元素时，y=x；