[发明专利]一种球形锂镧锆氧粉体材料及其制备的复合固态电解质

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂镧锆氧基氧化物材料，更具体涉及一种球形锂镧锆氧粉体材料，并进一步公开其制备的复合固态电解质。本发明所述球形锂镧锆氧粉体，包括Li₇La₃Zr₂O₁₂基体陶瓷，以及含铝、钇、铌、钼、锑、钽、钨中的至少一种等掺杂元素的化合物，所述球形锂镧锆氧粉体的粒径为20‑80μm，其晶型为纯立方相粉体，物相单一性好；同时，球状的外形有利于粉体的分散与滑动，即便在高填充(30wt％以上)的含量下，依然具有低粘度、高离子电导率的性能，可用于制备高填充量复合固态电解质材料之用。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂镧锆氧基氧化物材料，更具体涉及一种球形锂镧锆氧粉体材料，并进一步公开其制备的复合固态电解质。

背景技术

锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长、环境友好等优点而被广泛地应用于移动电话、笔记本电脑等便携式电子产品以及新能源电动车等储能设备，并引起了广泛关注。在锂离子电池几大元件中，电解质作为锂离子电池不可或缺的组成部分，很大程度上决定了锂离子电池的性能。

目前，商业锂离子电池使用的电解质主要以液态有机电解质为主，尽管其具有较高的离子导电率，但却存在易泄露、易腐蚀、高温易分解等缺点，并由此带来的自燃、爆炸等安全隐患不容小觑；同时，在充放电过程中，液态有机电解质极易在电极材料表面形成锂枝晶等，更限制了其在化学领域的大规模应用。因此，采用固态电解质代替传统液态电解液，对开发高安全性、高能量密度、宽温度使用范围的全固态锂电池具有十分重要的意义。

目前已开发的固态电解质材料中，石榴石型结构的Li₇La₃Zr₂O₁₂(简称LLZO)材料因具有较高的离子导电率、较低的界面电阻、优良的稳定性能(与金属锂接触稳定)和电化学性能(电化学窗口高达6V)，逐渐成为了最具潜力的固态电解质材料之一。据报道，LLZO存在两种晶体结构，分别是立方结构和四方结构：由于四方相中锂离子呈高度有序化排布，锂离子的迁移表现出多个离子同步迁移的特性，导致离子迁移困难；而立方相中锂离子位置被部分占据，使得晶体中存在着大量随机分布的锂离子空位，锂离子表现出单个跃迁特性，迁移较容易。因此，立方相LLZO的电导率要高于四方相的LLZO，也成为固态电解质应用的典型材料，并引起了对纯相立方相LLZO粉体的研究。

传统的无机电解质的制备方法主要以高温固相法为主，具有产量大、制备工艺简单等优点，但也容易造成Li损失而引入杂相，导致晶体结构不稳定、粉体烧结性能较差，进而降低电解质的离子电导率。因此，如何通过优化煅烧工艺以制备出完美的纯相立方相LLZO粉体，受到了研究者们的广泛关注。

除此之外，由于无机固体电解质很难制成致密、均匀的电解质膜，以及与电极材料间的润湿性较差、界面阻抗较大，从而阻碍锂离子传输、导致电池性能下降。而将无机固体电解质添加到聚合物中以制备无机/有机复合电解质，既改善了无机固态电解质的应用不足，还可以利用聚合物固体电解质的低密度、易加工、韧性好等优点，是开发无机固态电解质应用潜力以及推动全固态锂电池发展的理想解决方案。因此，现有技术一般通过增加无机电解质的含量(30wt％以上)来增强锂离子的迁移率，才能获得高离子电导率(10^-4S/cm)的无机/有机复合固态电解质。然而，这往往导致材料本身的加工性能和机械性能变差。

因此，如何实现无机固态电解质的高填充量(30wt％以上)，同时又不损害复合电解质的综合性能，也是固态电解质体系亟待解决的关键技术之一，具有积极的意义。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种球形锂镧锆氧粉体材料，所述粉体材料为纯相立方相晶体结构，呈球形形貌，具有较好的电导率和分散性等性能；

本发明所要解决的第二个技术问题在于由上述球形锂镧锆氧粉体所制备的复合固态电解质，在具有较高的离子电导率基础上，也获得了良好的力学性能。