[发明专利]一种锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前商用的锂离子电池使用液态电解质，存在燃烧、爆炸等安全隐患，严重限制了锂离子电池在新能源储能电站及电动汽车领域的应用。使用无机固态电解质制得的全固态锂离子电池替代使用液态电解质制得的商用锂离子电池，从根本上解决了锂离子电池的安全问题，更进一步的提高了锂离子电池的使用温度范围和储存寿命。

无机固态电解质是全固态锂离子电池的核心。首先要求固态电解质材料具有较高的离子电导率，一般认为要达到10^-4S/cm才可以满足实际应用需求。其次要求固态电解质材料制备工艺简单，合成条件可变、操作性强，以便用于满足高性能全固态锂离子电池复合电极结构、三维电解质结构以及薄膜结构等结构的组装要求。

在大量的无机固态电解质材料中，锂镧钛氧化合物（LLTO，Lithium Lanthanum Titanate）最接近于满足上述要求。LLTO的化学式为Li_3xLa_2/3-xTiO₃(0<x<0.16)，合成工艺简单，室温晶粒电导率达到10^-3S/cm，但是晶界电导率只有10^-5S/cm。较低的晶界电导率严重影响了LLTO材料的总电导率，所以提高LLTO材料的晶界电导率显得尤为重要。

目前关于LLTO材料晶界电导率的研究较少。公开号为CN101325094的中国专利申请提出了在LLTO材料晶粒间的晶界处含有无定形纳米硅氧化物层的复合陶瓷,并且采用湿化学方法实现了该无定形纳米硅氧化物在锂镧钛氧固态电解质材料中的复合。该方法中利用无定形硅氧化物改善LLTO晶界电导率，但是所添加的纳米硅氧化物层为锂离子绝缘体，对晶界电导率和总电导率的提高效果有限。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料，用以解决现有技术中锂镧钛氧化合物固态锂离子电解质材料的晶界电导率低导致其总电导率低的问题。本发明实施例第二方面提供了一种锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料的制备方法。本发明实施例第三方面提供了一种锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料在锂离子电池中的应用。

第一方面，本发明实施例提供了一种锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料，由Li_3xLa_2/3-xTiO₃和富集在所述Li_3xLa_2/3-xTiO₃的晶界层的锆元素组成，0<x<0.16。

其中，Li_3xLa_2/3-xTiO₃(0<x<0.16)是一类具有高锂离子电导率陶瓷材料，其晶体结构属于钙钛矿结构。本发明实施例提供了一种复合固态锂离子电解质材料，锆元素富集在Li_3xLa_2/3-xTiO₃(0<x<0.16)晶粒之间的晶界层。锆元素的存在形式为Li、La、Zr、Ti、O的复杂化合物。

优选地，所述Li_3xLa_2/3-xTiO₃(0<x<0.16)为Li_0.35La_0.55TiO₃或Li_0.5La_0.5TiO₃。

优选地，锆元素占所述锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料质量百分数为0.217%～2.17%。

更优选地，锆元素占所述锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料质量百分数为1.083%。

本发明实施例第一方面提供了一种锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料，该材料具有良好的晶界电导率和总电导率，制备工艺简单。

第二方面，本发明实施例提供了一种锂镧钛氧化合物复合固态锂离子电解质材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）锂镧钛氧化合物制备：使用固相法或溶胶凝胶法制得Li_3xLa_2/3-xTiO₃，0<x<0.16；