[发明专利]一种P5+、Al3+、Be2+离子协同掺杂的K6Si2O7钾快离子导体及其制备方法

摘要

一种P⁵⁺、Al³⁺、Be²⁺离子协同掺杂的K₆Si₂O₇钾快离子导体及其制备方法，其特征为：化学计量式为K_6+2x+y‑zBe_xAl_yP_zSi_{2‑x‑y‑z}O₇，其中：x＝0.05‑0.10；y＝0.05‑0.10；z＝0.02‑0.05；常温钾离子电导率超过5·10^‑4S/cm。采用Al³⁺、Be²⁺部分取代Si⁴⁺离子，在晶体中产生间隙钾离子而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Be²⁺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；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。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P⁵⁺、Al³⁺、Be²⁺离子协同掺杂的K₆Si₂O₇钾快离子导体，其特征为：化学计量式为K_6+2x+y‑zBe_xAl_yP_zSi_{2‑x‑y‑z}O₇，其中：x＝0.05‑0.10；y＝0.05‑0.10；z＝0.02‑0.05；常温钾离子电导率超过5·10^‑4S/cm；其制备过程为将K₂CO₃∶NH₄H₂PO₄∶Al₂O₃∶SiO₂∶BeO按照K_6+2x+y‑zBe_xAl_yP_zSi_{2‑x‑y‑z}O₇的化学计量摩尔比的比例均匀混合，加入质量为混合物质量3％‑9％的无水乙醇，在球磨机中以100‑500转/分钟的转速球磨10‑50小时，球磨结束后在气体压力为3Pa‑20Pa，温度为60℃‑120℃真空烘箱中干燥2‑10小时，取出后在玛瑙碾钵中重新研磨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450‑550℃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750‑850℃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700‑800℃保温10‑45小时后随炉冷却即制成该钾快离子导体。