[发明专利]一种电场诱导结晶K6.15Zn0.05B0.2Al0.1P0.05Zr0.05Si1.6O7钾快离子导体及制备方法

摘要

一种电场诱导结晶K_6.15Zn_0.05B_0.2Al_0.1P_0.05Zr_0.05Si_1.6O₇钾快离子导体及制备方法，采用Al³⁺、B³⁺部分取代Si⁴⁺离子，在晶体中产生高浓度间隙钾离子，有助于降低钾离子迁移活化能；通过P⁵⁺掺杂进一步降低快离子导体的电子导电性；通过小离子半径的B³⁺掺杂调节钾离子的迁移通道的大小以适应钾离子的快速迁移；通过Zr⁴⁺部分掺杂形成畸变的晶格结构增加晶格缺陷有利于钾离子传导；通过Zn²⁺掺杂产生阳离子空位从而增加钾离子迁移途径；并在制备过程中在K₆Si₂O₇颗粒的表面进行修饰，形成易烧结特性。同时引入强直流电场诱导结晶加快结晶的速度、降低结晶的温度并提高结晶完整度。这些协同作用使得该钾快离子导体的常温钾离子电导率超过5·10^‑4S/cm，更加接近液态电解质的钾离子电导率。

主权项

1.一种电场诱导结晶K_6.15Zn_0.05B_0.2Al_0.1P_0.05Zr_0.05Si_1.6O₇钾快离子导体，其特征为：常温钾离子电导率超过5·10^‑4S/cm；其制备过程为将固体KNO₃∶Al(NO₃)₃·9H₂O∶NH₄H₂PO₄∶硼酸∶Zn(NO₃)₂·6H₂O按照K_6.15Zn_0.05B_0.2Al_0.1P_0.05Zr_0.05Si_1.6O₇中相应元素的化学计量摩尔比的比例均匀混合，在强烈搅拌的同时加入去离子水至所有的固体物质溶解，记下所加入的去离子水的质量，其后继续加入所记录的去离子水质量1.0‑1.5倍质量的去离子水并搅拌均匀，此时继续搅拌并加入物质的量为所有金属离子总量1.5‑2.5倍的酒石酸充分搅拌均匀至完全溶解；记此溶液为溶液A；将符合K_6.15Zn_0.05B_0.2Al_0.1P_0.05Zr_0.05Si_1.6O₇化学计量比的正硅酸四乙酯及锆酸四丁酯溶解在体积为正硅酸四乙酯及锆酸四丁酯体积之和1.0‑1.5倍的无水乙醇中，记此溶液为溶液B；而后在搅拌下将溶液A逐滴加入溶液B中至全部加完，而后将溶液体系的温度上升到40‑50℃并保持此温度及搅拌的条件下以3‑5滴/分钟的速度继续加入去离子水，至溶液逐渐变得粘稠并形成胶冻状；将胶冻状物质在130‑200℃的烘箱中干燥20‑48小时后在研钵中研磨10‑30分钟；研磨后的粉体在空气气氛中以5‑30℃/分钟的速率升温到400‑500℃保温3‑10小时后随炉冷却；将冷却后的粉体在玛瑙碾钵中再次研磨10‑30分钟，研磨后的粉体在空气气氛中以5‑15℃/分钟的速率升温到600‑700℃保温10‑20小时后随炉冷却；取出研磨后在0.1‑0.3M的氢氧化钠溶液中浸泡5‑15分钟后过滤、烘干并在压力机中在1×10⁷Pa‑8×10⁷Pa的压力下压成薄片，将制得的薄片放入两端设置800‑1100V直流电压的管式炉中在10‑60Pa的氧气气氛中以5‑10℃/分钟的速率升温到700‑850℃保温10‑20小时后随炉冷却即制成该钾快离子导体。