[发明专利]一种薄膜固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种薄膜固态电解质及其制备方法和应用，该固态电解质为非晶态掺Nb锂磷氧氮氧化物，固体电解质材料为无定形薄膜形态，通过利用磷酸锂、铌酸锂混合靶在氮气和共溅射或者将LiPON及LiNbON薄膜复合的方法实现掺Nb的锂磷氧氮氧化物新型固态电解质的制备。所述非晶态掺Nb的锂磷氧氮氧化物新型固态电解质具有较好的空气稳定性，60度时锂离子导电率可达3.0*10^‑5S/cm，电子导电率低至3.6*10^‑7S/cm，电化学窗口大于6V。非晶态掺Nb的锂磷氧氮氧化物新型固态电解质可在保证电子通路阻断且保持较高离子导电率的同时减小薄膜厚度、降低薄膜阻抗，使其应用在电池中时电池具有更低的极化、更优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种薄膜固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术

非晶态锂磷氧氮氧化物(LiPON)是由Bates等人首次提出的一种稳定且性能较好的固态电解质，其离子电导率约为2x10^-6S/cm，且具有较宽电化学窗口(0～5.5V)。除此以外，其电化学稳定性较高，适用于电池的快速充放电过程。其热稳定性也较好，使其可以在较为恶劣的环境中进行工作。现在，LiPON的应用非常广泛，不仅可以作为固态电解质应用于固态薄膜电池中，还可以在液态锂离子电池中作为极片的人工保护层，以抑制极片活性物质与电解液之间的界面反应。

LiPON的制备也即将N引入到非晶态Li₃PO₄中，改变了磷酸盐负离子链的分布。为了提高LiPON的离子导电性及增强其电化学稳定性，各种基于LiPON的衍生电解质已开发。它可以分为两类衍生物，一类是氮、硫和氟化物对非晶态磷酸盐玻璃结构中一系列阴离子的取代，如硫氧氮锂玻璃、氟化锂磷酸盐玻璃；另一种是其他元素掺杂的LiPON，如硼磷酸氧氮锂(LiPBON)、掺W的锂磷酸盐(LiPWON)、掺Ti与Si的锂磷酸盐(LiTiSiPON)等等。这些工作为基于LiPON非晶态材料的结构与性能之间的关系提供了有价值的信息。

然而，由于其离子导电率低，与水分反应性强，其应用受到限制，还需开发出新型非晶态磷酸盐玻璃，寻找更合适的类LiPON非晶态材料，使其应用在电池中时得以发挥出更优异的电化学性能。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种薄膜固态电解质及其制备方法和应用，其具有更高的化学稳定性及更优异的电化学性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种薄膜固态电解质，该固态电解质为非晶态掺Nb锂磷氧氮氧化物薄膜，通过将磷酸锂与铌酸锂混合靶材共溅射制备得到，或者分别利用磷酸锂及铌酸锂靶材制备多级复合的LiPON及LiNbON薄膜。

其中，掺Nb的锂磷氧氮氧化物固态电解质为无定型结构。

优选地，所述磷酸锂与铌酸锂为磷酸锂及铌酸锂粉末，粒径均为500nm-2μm。

优选地，所述磷酸锂与铌酸锂的摩尔比为(0.99-0.5)：(0.01-0.5)。

优选地，所述多级复合的LiPON及LiNbON薄膜的厚度范围在1nm-10μm之间，其结构可以是连续层或不连续层、可以是多孔的或致密的。

优选地，所述LiPON及LiNbON薄膜的厚度范围在0.1-1μm之间，依次叠层复合，且最外层均为LiPON。

一种薄膜固态电解质的制备方法，该固态电解质采用磁控溅射方法制备得到，通过将磷酸锂与铌酸锂混合靶材在氩气和氮气混合气氛中共溅射制备LiNbPON固态电解质。

一种薄膜固态电解质的制备方法，分别利用磷酸锂及铌酸锂靶材在氩气和氮气混合气氛中溅射制备LiPON及LiNbON薄膜，并以LiPON及LiNbON薄膜为基本单元进行多级复合制备复合型掺Nb锂磷氧氮氧化物固态电解质。