[发明专利]一种钽铝共掺杂的锆酸镧锂固态电解质的工业化制备方法

说明书

本发明公开一种钽铝共掺杂的锆酸镧锂固态电解质的工业化制备方法，产品结构表达式为Li_6.4‑XLa₃Zr_2‑XTa_XAl_0.2O₁₂，其中X为0.2～0.5。本发明采用常压固相烧结方法，制备工艺简单，使用仪器成本低且易于操作，利于工业化生产，虽烧结时间较长但是最终得到的产品致密度高，实验重复性好且离子电导率高。适量共掺钽铝元素，Al元素起稳定立方相锆酸镧锂的作用，Ta元素有效提高锆酸镧锂的电导率。

技术领域

本发明涉及固态电解质材料制备领域，具体为一种钽铝共掺杂的锆酸镧锂固态电解质的工业化制备方法。

背景技术

与其它种类的电池相比，可充放锂离子电池具有更高的输出电压和能量储存密度，同时也更环保，被广泛应用在便携式电子装备和电子交通工具中。目前商用锂离子电池普遍采用液态电解质，液态电解质虽然具有较高的锂离子电导率，但其存在易泄露、易腐蚀、高温易分解等缺点使其存在自燃或爆炸等安全隐患，同时容易与电极发生反应产生锂枝晶，从而限制了其在化学储能领域的大规模应用与使用。与液体电解质的锂离子电池相比，全固态电池的构造简单、体积小、可获得大电压单体电池模块，且热稳定性和安全性好，能量密度和功率密度高。因此，采用固体电解质代替传统电解液，开发高安全性、高能量密度及宽温度使用范围的全固态锂离子电池具有十分重要的意义。

具有石榴石型结构的立方相锆酸镧锂固态电解质具有较高的离子导电率、电化学性能稳定性能和电化学性能和与金属锂接触稳定等优点，从而使其在未来的全固态锂电池领域中拥有广阔的应用前景和研究价值。目前在锆酸镧锂合成制备过程中，由于烧结温度高且烧结时间长，从而导致了Li元素的过量损失，并且由于立方相的不稳定从而导致了杂相的产生，这些因素均低了锆酸镧锂电解质的电导率。

国外有报道引入Al、Ta共掺的锆酸镧锂固态电解质，有效的提高其电导率与致密度。目前采用的方法有溶胶凝胶法、等静压辅助烧结法，但均存在一定的限制。溶胶凝胶法：虽然烧结过程时间较短且温度低，但是前期准备工作繁琐，需经历凝胶的凝胶化、陈化、干燥、预处理等过程，且原料多采用无机盐类和醇盐，价格普遍较为昂贵，大大增加了制备 LLZO 的成本；同时所得样品的离子电导率普遍较低，通常处于10^-5S/cm这一数量级，一般用来与其他物质进行两相复合。辅助烧结法：目前常见的有热等静压、冷等静压、场辅助烧结法等，三种方法均需要昂贵的仪器做支撑，并且操作难度大，虽然烧结时间大大缩短，但目前只能处于实验室范围内的小型实验。

发明内容

本发明针对锆酸镧锂固体电解质合成制备过程中容易产生杂相并且电导率较低的问题，提供了一种钽铝元素共掺杂的工业化制备方法，常压固相烧结，制备工艺简单，使用仪器成本低且易于操作，虽烧结时间较长但是最终得到的产品致密度高，实验重复性好且离子电导率高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种钽铝共掺杂的锆酸镧锂固态电解质的工业化制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按摩尔比为Li:La:Zr:Ta＝6.49~6.8：3：1.5~1.75：0.25~0.5取锂源化合物、镧源化合物、钽源化合物、锆源化合物置于球磨机中加入有机溶剂混合均匀；

步骤2：步骤1中所得样品取出静置80℃干燥12h研磨成粉状后过筛；

步骤3：步骤2中研磨所得粉末置于气氛烧结炉中800℃~900℃煅烧9~12h，制得四方相的LLZO前驱体；

步骤4：将LLZO前驱体研磨均匀后收集部分做保护母粉备用；另一部分LLZO前驱体按与Al源以摩尔比为1:0.2的比例置于球磨机中加入有机溶剂混合均匀重复球磨，样品取出过滤后静置干燥，再研磨成粉末状并过筛，压片得到片状物；