[发明专利]一种LiAl5

说明书

本发明公开了一种LiAl₅O₈纳米线的制备方法、复合固态电解质、锂金属电池，所述LiAl₅O₈的制备方法包括如下步骤：对Al(EtO)₃纳米线进行预煅烧，然后在保护气氛下，将预煅烧后的Al(EtO)₃纳米线膜浸泡于锂离子溶液中；浸泡结束后进行固液分离，得到补充锂的Al(EtO)₃纳米线；煅烧所述补充锂的Al(EtO)₃纳米线，得到LiAl₅O₈纳米线。由本发明的LiAl₅O₈纳米线制得的复合固态电解质可以引导Li⁺以层片状而不是以枝晶状的形式沉积，能够显著改善锂金属电池的长循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种LiAl₅O₈纳米线的制备方法、复合固态电解质、锂金属电池。

背景技术

便携式电子器件、电动汽车和储能电网的快速发展推动了高能量密度的二次电池的开发。锂金属电池，因锂金属(Li)负极具有高理论比容量(3860mAh·g^-1)，低密度(0.59g·cm^-3)和低还原电位(相对于标准氢电位为-3.04V)等优点，使其成为一种极具应用前景的高比能量密度二次电池^[1]。然而，在实际应用中，液态有机电解液中不稳定的电解质膜(SEI膜)和生长不受控制的枝晶，严重限制了锂金属电池的发展。首先，锂金属在沉积和溶解过程中存在严重的体积变化，很难形成稳定的SEI膜。因此，电解液与锂金属反复反应，导致库仑效率低，容量迅速下降。其次，在充放电过程中由于锂的不均匀沉积形成锂枝晶，导致“死锂”的形成和极化的增加，甚至会穿透电池隔膜接触阴极，造成电池内部短路，从而引起热失控甚至爆炸^[2]。因此，必须消除这些障碍才能实现锂金属电池的安全、高库伦效率和长循环寿命。

近年来，研究人员为解决上述问题做了大量工作，如优化电解液的组成^[3-6]、构建界面保护层^[7-10]和构筑三维复合锂金属负极^[11-14]。此外，固态电解质的快速发展为锂金属电池的安全问题提供了一个重要的解决途径，因为固态电解质具有较高的剪切模量和硬度，有望抵抗锂枝晶的侵入^[15]。固态电解质类型包括氧化物、硫化物、薄膜和聚合物^[16]。氧化物固态电解质如Li_3.3La₃Zr₂O₁₂(LLZO)和 Li_3.3La_0.56TiO₃(LLTO)，因其离子电导率高、机械强度高、电化学稳定性好而得到广泛研究。但同时也面临着高能耗、非均相、对空气中水分和二氧化碳不稳定等问题。因此，开发成本低、合成简单、储存方便的新型固态电解质是非常必要的。此外，当与锂金属直接接触时，固态电解质通常会还原为更稳定的化合物。例如，根据第一性原理密度泛函理论(DFT)计算，LLZO的还原极限为0.05V(或0.07V)，LLZO可能的还原产物有Zr、La₂O₃、Li₈ZrO₆、Zr₃O和Li₂O^[18,19]。之前的大部分研究工作采用了涂层等策略^[20,21]，以避免固态电解质在界面上发生副反应，使其适用于固态锂金属电池。然而，利用副产物直接改善固态电解质与锂金属界面相容性的例子很少。