[发明专利]一种用于固态电池的高熵氧化物固态电解质材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种用于固态电池的高熵氧化物固态电解质材料及其制备方法与应用，该高熵氧化物固态电解质材料的组分为石榴石型氧化物(Li₆La₃(ZrHfTaNb)₀.₅O₁₂)，该材料采用以下方法制备得到：(1)按照化学计量比称取碳酸锂、氧化镧、氧化锆、氧化铪、氧化钽和氧化铌放入球磨罐中，然后加入异丙醇分散剂和磨球，进行球磨处理，再经干燥得到前驱体粉末；(2)将前驱体粉末放在马弗炉中进行煅烧，得到高熵氧化物粉体；(3)取高熵氧化物粉体、异丙醇分散剂和磨球放入球磨罐，进行球磨处理，然后经干燥、过筛、压片、烧结得到目的产物。与现有技术相比，本发明高熵氧化物固态电解质具有高离子电导率和低电子电导率，具有良好的化学与电化学稳定性，能与锂兼容。

技术领域

本发明属于固态锂电池技术领域，涉及一种用于固态电池的高熵氧化物固态电解质材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池以其无记忆效应、循环性能好、绿色环保的特性，在储能领域得到广泛应用。然而，储能市场的需求对锂离子电池的性能提出挑战，尤其是对能量密度与安全性提出了更高的要求。传统锂离子电池使用的液态有机电解液往往具有可燃烧的特性，对电池安全造成威胁。此外，液态电解液的电压窗口较窄，不适宜匹配高电压正极，使电池的能量密度受限。无机固态电解质以其不可燃的特性大幅提升电池的安全性能。一种具有宽电化学窗口的固态电解质能够同时匹配金属锂负极和高压正极材料，满足电池的高能量密度需求。然而，离子电导率低是固态电解质应用受限的主要因素之一，一个具有高离子电导率的固态电解质材料是实现高安全性、高能量密度固态电池的基础。

“高熵”这一概念自2004年在合金领域中提出以来(参见Mater.Sci.Eng.,A2004,375-377,213-218；Adv.Eng.Mater.2004,6,299-303)，凭借其兼具的高熵效应、缓慢动力学、晶格畸变、性能上的“鸡尾酒”效应，受到广泛关注，激发着研究者们对于新材料探索的热情。高熵材料一般由五种及五种以上以等摩尔比或近等摩尔比的元素构成，或者其构型熵大于1.5R。近十年来，高熵材料的种类已经从合金覆盖至碳化物、氧化物、氮化物、硫化物等，应用领域也更为广泛，包括储能、催化、热电、热障涂层等。以氧化物为例，其具有丰富的晶格结构种类以及元素选择范围，为高熵氧化物的组成提供了巨大的可能性，并且高熵所带来的高熵效应以及元素之间的相互协同作用能够有效提升材料性能，因此高熵有望成为一种按需设计材料的技术手段。在储能领域中，在材料的晶格结构中引入多种元素，元素之间原子尺寸以及与氧离子间键能的差异会对晶格结构造成扭曲，对离子在材料中的迁移产生影响。目前，高熵氧化物在电池领域的报道主要集中在电极材料，用于锂电池的高熵氧化物固态电解质还鲜有报道，仅有研究者报道的岩盐石结构高熵氧化物(MgCoNiCuZn)_1-x-yGa_yA_xO(A＝Li,Na,K)(参见J.Mater.Chem.A 2016,4,9536-9541)，和硫银锗矿型高熵聚阴离子电解质材料(参见ACS Materials Lett.2022,4,418-423)，且其中部分元素与金属锂不兼容，不适宜直接与金属锂负极搭配使用，文献中也没有相应高熵电解质在锂电池中的性能报道。

因此，开发出性能优异、制备工艺简便，同时与金属锂具有良好兼容性的高熵氧化物固态电解质材料是固态电池开发的基础。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种用于固态电池的高熵氧化物固态电解质材料及其制备方法与应用，以克服现有技术中固态电解质材料离子电导率低、高熵氧化物固态电解质与金属锂不兼容的缺陷。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：