[发明专利]一种具有纳米尺度的锂离子导体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电池材料领域，特别涉及一种具有纳米尺度的锂离子导体及其制备方法。

背景技术

锂离子二次电池是目前广泛应用于笔记本电脑、平板电脑、手机、数码摄像、照相机等电子设备的电源，未来也非常有可能在插电式或混合电动汽车上得到大规模应用。然而，现有锂离子二次电池的电解质目前通常采用易燃的液态有机物，当电池的尺寸进一步放大、充放电功率进一步提高时，该类电解质将给电池的使用带来很多难以预料的安全隐患。

近年来，人们提出采用无机物固相电解质替代有机液相电解质，以此途径消除锂离子电池大规模应用过程中的安全隐患。截止目前，人们已开发出了多种氧化物和硫化物的固相材料体系可作为锂离子二次电池的电解质，如钙钛矿(ABO₃)型的钛酸镧锂(LLT)，具有NaA₂(PO₄)₃结构的钠超离子导体（NASICON），锗酸锌锂（LISICON）和硫代锗酸锌锂（Thio-LISICON）等，这些都属于快离子导体。例如，目前报道的快离子导体Li₁₀G_eP₂S₁₂，其室温电导率为10^-2S cm^-1，与液相有机物电解质的电导率是一个量级。此外还有越来越多的新型固相无机材料系列不断推出，以期实现全固相锂离子电池的目标。近来较为引人关注的是日本东北大学提出的硼氢化锂(LiBH₄)作为固相电解质的新思路；研究人员发现在113℃附近，LiBH₄由低温相（LT）向高温相（HT）发生相转变，在此过程中，该物质的电导率迅速升至10^-3S cm^-1；研究人员又将LiI、LiCl等卤化物加入LiBH₄形成相转变温度更低的固溶相，其低温电导特性更为显著，电导率也有所提升。这一系列研究表明，LiBH₄及其固溶相极具成为快离子导体的应用潜质。

本发明基于以上认识，将LiBH₄及其卤化物固溶相颗粒进行纳米分散，获得尺寸为～5nm左右的LiBH₄及其卤化物固溶相颗粒。随着颗粒的细化，不仅缩短了离子的扩散途径，更拓宽了离子的扩散网络通道，同时也降低了该材料的相转变温度，从而使该类物质的低温电导率有显著提高。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种相转变温度低、电导率高的具有纳米尺度的锂离子导体及其制备方法。

技术方案：本发明提供的一种具有纳米尺度的锂离子导体，包括介孔硅材料和分散在介孔硅材料内的固溶相颗粒，所述固溶相颗粒选自LiBH₄固溶相颗粒、4LiBH₄-LiF固溶相颗粒、4LiBH₄-LiCl固溶相颗粒、4LiBH₄-LiBr固溶相颗粒和4LiBH₄-LiI固溶相颗粒中的一种或几种，所述介孔硅材料为SBA-15。

作为优选，所述固溶相颗粒为纳米级颗粒，更优选地，所述固溶相颗粒的粒径为10nm以下。

作为另一种优选，所述介孔硅材料与固溶相颗粒的质量比为2：（1-4）。

本发明还提供了上述具有纳米尺度的锂离子导体的制备方法，包括以下步骤：在惰性气体保护下，将固溶相颗粒与介孔硅材料混匀、球磨，即得。

作为优选，球磨时间为4-6h，球料比为（20-60）:1，球磨机公转速度为200-600rpm。

其中，所述固溶相颗粒的制备方法为：将摩尔比为4:1的卤化锂分别与LiBH₄混匀、球磨，即得。

作为优选，球磨时间为1-3h，球料比为（20-60）:1，球磨机公转速度为200-600rpm。

有益效果：本发明提供的具有纳米尺度的锂离子导体制备方法简单、成本较低，通过将硼氢化锂和卤化锂分散在介孔硅材料中，大大缩短了离子的扩散途径，拓宽了离子的扩散网络通道，降低了锂离子导体的相转变温度，从而大大提高了锂离子导体的电导率。