[发明专利]一种用于全固态锂离子电池的Gd掺杂Li7La3Zr2O12石榴石型固体电解质

说明书

(一)技术领域

本发明涉及全固态锂离子电池固体电解质，具体地说就是一种通过Gd掺杂部分取代Zr的Li₇La₃Zr₂O₁₂石榴石型固体电解质以及将其应用于全固态锂离子电池。

(二)背景技术

在电动车快速发展和便携式高比能量储能系统迫切需求的推动下，大量的新形式、新技术、新材料的动力设备不断出现，并朝着安全性能高、持续时间长、环境友好、便于使用、可商业化等方向发展。目前已经研制开发的动力装置包括超级电容器、燃料电池、锂空气电池、锂离子电池等。而其中应用最广泛的为锂离子电池。锂离子电池具有高能量密度，高功率密度，长寿命，安全性能高等特点，在当今快速发展的电动汽车领域，对锂离子电池的安全性能提出了更高的要求。然而，目前的锂离子电池还存在安全性、循环寿命和性能不足等缺点。一个重要的原因是在锂离子电池中广泛使用的有害和易燃的有机液体电解质会导致诸如泄露和爆炸等安全问题。此外，在充放电循环时，由于液体电解质和电极材料之间会形成固体电解质膜(SEI)，从而导致液体电解质循环寿命的减少。同时，SEI膜会阻塞锂离子迁移使电池性能降低。目前，大多数研究者采用在电解液加入添加剂来改善电解液的性能，以及正极集流体和活性层之间涂覆PTC薄层等方法来解决锂离子电池的安全问题，虽有一定的成效，但无法从根本上解决问题。为了解决这些问题，使用固体电解质替代液态有机电解液是一种非常有前途的解决方案。与使用液体和聚合物等电解质的锂电池相比，全固态锂离子电池有很高的热稳定性并能抵抗冲击和震动，无电解质泄露和易燃等问题，是一个安全的高比能量的能量储存系统。锂离子无机固体电解质按其结构可以分为晶体型固体电解质和玻璃态非晶体固体电解质。而晶体型固体电解质又可细分为钙钛矿型，钠超离子导体(NASICON)型，锗酸锌锂(LISICON)型，氮化锂(Li₃N)型和其他一些新型固体电解质。

Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)石榴石型氧化物具有较高的锂离子电导率和对金属锂的高化学稳定性，受到了越来越多的关注，但如果将其应用于全固态锂离子电池，其电导率还需要进一步提高。石榴石型氧化物的典型结构可用Ca₃Al₂Si₃O₁₂的钙铝榴石结构来代表，并符合通式A₃B₂C₃O₁₂，其中，A位点是8配位，B位点是6配位(八面体)，C位点是4配位(四面体)。八面体和四面体位点的晶体结构柔性可由不同的化学组成得到，并可得到大量不同的石榴石型固体电解质。LLZO存在两相，即立方体和四方晶体，由于立方体的理论晶格电导率约为5×10^-4S/cm，而四方体的理论晶格电导率约为1。6×10^-6S/cm，故立方体的石榴石型是优先的选择。

(三)发明内容

本发明的目的是提供了一种用于全固态锂离子电池的Gd掺杂Li₇La₃Zr₂O₁₂石榴石结构固体电解质的制备与应用。

本发明提供的Gd掺杂的Li₇La₃Zr₂O₁₂石榴石结构固体电解质的制备方法中，采用高温固相合成法制备石榴石电解质。具体制备方法为：将原料进行球磨，制得浆料，之后将浆料烘干并烧，制得母粉，之后压片，再次高温烧结，即可得到全固态锂离子电池固体电解质片。

本发明提供的一种Gd掺杂的Li₇La₃Zr₂O₁₂石榴石结构固体电解质的制备方法中，制备电解质片时，采用的溶剂为异丙醇等低沸点的醇类有机物。

本发明提供的一种Gd掺杂的Li₇La₃Zr₂O₁₂石榴石结构固体电解质的制备方法中，制备电解质片时，第一次烧结的温度为850～1000℃。