[发明专利]兼容金属锂负极的Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3固态电解质及其制备方法

说明书

本发明提供了一种兼容金属锂负极的Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃固态电解质及其制备方法及其使用该固态电解质的锂离子电池。双通AAO模板孔径中的LATP纳米线的一端与正极直接接触，另一端与锂金属负极直接存在的空气间隙，避免LATP和锂金属负极之间直接接触会引发的副反应，提高了LATP结构的稳定性，防止副反应产物在界面聚集导致的全固态锂离子电池界面离子电导率降低。

技术领域

本发明涉及一种兼容金属锂负极的Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃ (LATP)固态电解质和制备方法及使用该固态电解质的全固态锂离子电池。

背景技术

随着锂离子电池向电动汽车、智能电网等领域的不断拓展，目前的商业化电池已经越来越难以满足人们对高能量密度的迫切需求，高能量密度带来的安全隐患也日益突出。因此，兼具高能量密度和高安全性能的全固态锂离子电池重新回归历史舞台，并引起了人们极大的研究兴趣。全固态电池采用不可燃、无腐蚀、不挥发、无漏液的固态电解质替代常规的可燃液态电解质，因此与热失控和电解质燃烧相关的安全问题将有望从根本上得以解决。此外，固态电解质一般具有较宽的电化学稳定窗口（5 V以上），便于匹配高电压正极和金属锂负极，实现电池的高质量能量密度；在工艺上，固态电解质具有柔性化发展前景，支持双极性堆叠电池，并可通过匹配更薄的集电器有效减少单体电池间的冗余空间，实现体积能量密度的提升。经过人们不断地探索和开发，目前一些固态电解质已经拥有了与液态电解质相比拟的离子电导率，但固态电池距离商业化仍有一段距离。研究者普遍认为，全固态电池进一步发展和应用的关键在于其中的界面问题。

作为一种典型的固态电解质，Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃ (LATP)具有六方晶格结构，空间群为R3-c，Li、Al、Ti、P和O分别位于晶格中的6b、12c、18e和36f格点位，形成了TiO₆/AlO₆八面体和PO₄四面体共同组成的共价Ti-Al-P-O骨架，锂离子在骨架中分布。该电解质不仅具有优越的离子传输能力（锂离子扩散系数接近10^-3 S cm^-1），而且其稳定的结构和廉价的成本吸引了众多研究者的关注。

作为典型的锂离子电池负极，金属锂的氧化还原电位很低（-3.04 V，相对标准氢电极），LATP和锂金属负极之间直接接触会产生严重的副反应，锂金属将LATP中的Ti⁴⁺还原为Ti³⁺，不仅破坏了LATP的结构稳定性，而且副反应产物在界面的聚集又降低了界面的离子电导率。

发明内容

为了解决LATP基全固态锂离子电池的上述技术问题，本发明提供了一种兼容金属锂负极的LATP固态电解质及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：

一种兼容金属锂负极的Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃固态电解质，其特征在于，正极和负极之间采用双通AAO模板作为固态电解质的结构骨架，在其中一端沿双通AAO模板的孔内壁向另一端致密生长连续均匀的LATP纳米颗粒，作为锂离子快速传导的路径。所述LATP纳米颗粒粒径均匀；所述LATP纳米颗粒未完全将双通AAO模板的孔径填充满，所述锂离子快速传导路径LATP的长度距另一端的具有一定的距离形成间隙；所述双通AAO模板具有间隙的一端与锂金属负极接触，另一端与正极直接接触，所述间隙能有效避免LATP与负极锂金属的直接接触而引起的不良副反应，又能够保证锂离子在电场作用下的有效输运。

具体的，所述LATP纳米颗粒粒径均匀，直径为20 – 30 nm。