[发明专利]一种P5+、Al3+、Be2+、Zn2+离子协同掺杂的K2MgSi5O12钾快离子导体及其制备方法

摘要

一种P⁵⁺、Al³⁺、Be²⁺、Zn²⁺离子协同掺杂的K₂MgSi₅O₁₂钾快离子导体及其制备方法，其特征为：化学计量式为K_{2+2x+y‑z‑2m}MgBe_xAl_yP_zZn_mSi_{5‑x‑y‑z}O₁₂，其中：x＝0.05‑0.15；y＝0.05‑0.15；z＝0.01‑0.03；m＝0.01‑0.03；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；通过Zn²⁺部分取代钾离子造成阳离子空位增加钾离子迁移通道；并在制备过程中在K₂MgSi₅O₁₂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⁺、Zn²⁺离子协同掺杂的K₂MgSi₅O₁₂钾快离子导体，其特征为：化学计量式为K_{2+2x+y‑z‑2m}MgBe_xAl_yP_zZn_mSi_{5‑x‑y‑z}O₁₂，其中：x＝0.05‑0.15；y＝0.05‑0.15；z＝0.01‑0.03；m＝0.01‑0.03；常温钾离子电导率超过5·10^‑4S/cm；其制备过程为将固体K₂CO₃∶NH₄H₂PO₄∶Al₂O₃∶SiO₂∶BeO∶ZnO∶MgO按照K_{2+2x+y‑z‑2m}MgBe_xAl_yP_zZn_mSi_{5‑x‑y‑z}O₁₂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550‑650℃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在铂坩埚中以5‑15℃/分钟的速率升温到1250‑1350℃保温25‑48小时后取出炉膛迅速冷却；将冷却后的材料在研磨中粉碎并研磨30‑50分钟后在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，将制得的薄片埋入半充满瓷舟的二氧化硅粉末中，将该瓷舟放入管式炉中在10‑60Pa的氧气气氛中以5‑10℃/分钟的速率升温到750‑850℃保温80‑150小时后随炉冷却即制成该钾快离子导体。