[发明专利]一种锶、钆、锌、铝共掺杂的立方相石榴石型固态电解质材料及其合成方法

说明书

本发明公开了一种Sr、Gd、Zn、Al共掺杂Li₇La₃Zr₂O₁₂的立方相石榴石结构固态电解质材料及其合成方法，所述掺杂后固态电解质材料的化学计量式为Li_7+x+2m+nLa_3‑x‑ySr_xGd_yZr_2‑m‑nZn_mAl_nO₁₂，其中：0.2≤x≤0.4，0.1≤y≤0.2，0.1≤m≤0.2，0.2≤n≤0.3；公开的合成方法如下：将锂源化合物和浓氨水溶解于油包水型(w/o)反相微乳液中，再将镧源、钆源、锌源、锶源、铝源、锆源化合物的金属盐混合溶液加入反相微乳液中进行搅拌，将所得纳米粒子微乳液在密闭反应釜中进行水热处理，经干燥后得到前驱体产物，再经预烧、成型、煅烧后合成所述固态电解质材料。采用该方法制备的固态电解质具有优良的室温离子电导率，其在全固态锂离子电池领域的应用前景巨大。

技术领域

本发明涉及锂离子电池电解质材料领域，具体涉及一种锶、钆、锌、铝共掺杂的立方相石榴石型固态电解质材料及其合成方法。

背景技术

当前，锂离子电池正凭借其高能量密度和高功率密度等性能优势在消费类电子产品、电动汽车等领域占据的市场越来越大，而科技的飞速发展对锂离子电池的安全性提出了更加苛刻的使用要求。目前市场上的锂离子电池大多采用的是液态电解质，该类电解质溶液易挥发泄露，不利于电池的封装生产；电压窗口低，在高电压下易分解，造成电池的循环性能快速衰减；其易燃易爆、剧毒特性更是对电池的安全性和环保要求十分不利。鉴于此，全固态锂离子电池因其优良的综合性能备受关注。

全固态锂离子电池以快离子导体材料作为固态电解质，具有优良的热稳定性、电化学稳定性及机械加工性特征，可在水汽、高热、高电压的严苛环境中服役，安全性高；固态电解质还能同时充当电池隔膜的角色，可优化锂离子电池的内部结构，简化电池封装工艺。然而，与液态电解质相比，固态电解质材料的锂离子电导率普遍较低(＜10^-3S/cm)，一定程度上阻碍了其在电池领域的实际应用。因此，开发高离子电导率固态电解质材料具有重要的意义。

立方相石榴石结构的锂镧锆氧化合物(Li₇La₃Zr₂O₁₂)是一种应用前景广阔的锂离子电池固态电解质材料，其具有室温离子电导率高(可达10^-4S/cm)、电子电导率低(＜10^-9S/cm)、电化学稳定窗口宽、结构稳定性佳的优点。Li₇La₃Zr₂O₁₂的立方相结构中有部分Li⁺还可以与酸性溶液环境中的H⁺进行可逆的H⁺/Li⁺交换(即质子交换)，并能保持立方相结构不变[Liu C,Rui K,Shen C,et al.J.Power Sources,2015,282:286-293]，可有效增强电池的循环寿命及安全性能。然而，Li₇La₃Zr₂O₁₂材料目前主要采用高温固相法合成，采用该法制备Li₇La₃Zr₂O₁₂需经过长时间高速球磨，此工艺过程易引入杂质，影响材料的最终性能；并且，该法合成温度高(＞1200℃)，烧结时间长，能耗高，且容易造成锂元素在高温下的挥发损失，导致所合成的Li₇La₃Zr₂O₁₂材料成分失准，将较大程度削弱电解质材料的性能。因此，为了减轻高温固相法中高速球磨和高温煅烧过程产生的不利影响，对Li₇La₃Zr₂O₁₂材料的合成工艺进行优化改进显得十分必要。