[发明专利]一种超细固态电解质及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超细固态电解质及其制备方法。所述电解质的粒径D10为50～100nm，D50为100～200nm，D90为200～400nm，Dmax≤500nm。所述超细固态电解质的制备方法包括：1)按照离子比例Li:Al:M:P为1+X:X:2‑X:3，0≤X≤1称取反应原料，然后在含增稠剂的分散体系中进行湿磨至粒径小于1μm，得到喷雾前驱体；2)喷雾干燥，得到烧结前驱体；3)烧结，砂磨至粒径Dmax≤500nm，得到超细固态电解质。所述电解质加工性能和复合性能好，离子导电率高，适用于电池应用。所述方法制备工艺简单，原料成本低廉，环境友好，产品收率高，便于工业化的生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池、锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池固态电解质领域，具体地，本发明涉及一种超细多元固态电解质材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、循环使用寿命长、无记忆效应、自放电小、环境友好等优点，已被广泛应用于便携式电子产品和电动汽车中。目前，包括中国在内的多个国家已经制定了关于进一步提升动力电池能量密度到300～400瓦时/公斤的中长期的战略目标。据推算，当前采用的高电压层状过渡金属氧化物和石墨作为正负极活性材料所组成的液态锂离子动力电池的重量能量密度极限约为280Wh/kg左右。引入硅基合金替代纯石墨作为负极材料后，锂离子动力电池的能量密度有望做到300Wh/kg以上，其上限约为350Wh/kg。对于更高能量密度目标的进一步达成，以金属锂为负极的锂金属电池已成为必然选择。这是因为锂金属的容量为3860mAh/g，约为石墨的10倍，由于其本身就是锂源，正极材料选择面宽，可以是含锂或不含锂的嵌入化合物，也可以是硫或硫化物甚至空气，分别组成能量密度更高的锂硫和锂空电池。但金属锂负极在液态电池中存在一系列技术问题至今仍缺乏有效的解决方法，比如金属锂与液态电解质界面副反应多、SEI膜分布不均匀且不稳定导致循环寿命差，金属锂的不均匀沉积和溶解导致锂枝晶和孔洞的不均匀形成，从而引发安全问题。基于以上原因，很多研究者把解决金属锂负极的应用问题寄希望于固态电解质的使用。主要思路是避免液体电解质中持续发生的副反应，同时利用固体电解质的力学与电学特性抑制锂枝晶的形成。

然而，目前制备固态电解质的主要方法是高温固相法和溶胶凝胶法，其中高温固相法虽然工艺简单，但是会导致前驱体混合效果不好，所需要的成相温度很高，能耗严重；例如非专利文献(H.Aono.et al,J.Electrochem.Soc.137(1990)1023)采用固相法制备磷酸钛铝锂固态电解质会导致产物严重粘坩埚壁的现象，因此难以工业化。专利文献中，CN105609881A公开的一种利用溶胶凝胶制备固态电解质材料的方法虽然可以避免高温固相法的缺点，但是溶胶凝胶需要加入有机或无机的添加剂，况且溶胶蒸干的过程耗时太长，导致生产成本的上升和不利于工业化的生产。CN105406118A公开了利用喷雾干燥制备固态电解质，该方法采用只是简单的前驱体与溶剂混合的方式，操作的过程并不能避免产品粘壁的现象，影响产品的收率，而且最后制备的固态电解质粒径在一微米级，这样就会导致加工性能以及复合性能很差，与电极间的界面和颗粒之间的阻力变大，不利于后续的利用。因此，最理想的固态电解质的粒径范围应在500nm以下。

因此，开发一种简单、高效地制备超细固态电解质材料的方法是锂离子电池、锂硫电池和锂空气电池领域的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超细固态电解质及其制备方法。本发明的超细固态电解质颗粒极为细小，其D10为50nm～100nm，D50为100nm～200nm，D90为200nm～400nm，Dmax≤500nm。所述超细固态电解质的制备方法具有简单、高效、能耗低、易于工业化的特点。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：