[發明專利]一種用于固體電解質的鈉快離子導體材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201510848827.2
• 申請日: 2015-11-27
• 公開（公告）號: CN105355971A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發明（設計）人: 張隆;楊坤
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562
• 代理公司: 石家莊一誠知識產權事務所 13116
• 代理人: 續京沙

技術領域

本發明屬于新能源材料領域，特別涉及一種離子導體材料及其制備方法。

背景技術

隨著化石能源的加劇消耗和瀕臨枯竭，開發新的能源體系已受到世界各國的高度重視。而儲能的發展應用程度對改變能源結構其至關重要的作用。(電網技術，32(2008)1)。電化學儲能技術中，具有重量輕、比能量高、壽命長、無記憶性等獨特優勢的鋰離子電池從1991年首次實現商業化以來發展迅速，并獲得了極大的關注和廣泛的應用。然而，隨著對鋰電池市場需求的急劇擴展，有限的鋰資源將面臨短缺問題，導致電池的制造成本上升。相比于鋰，鈉具有價格低、資源豐富的優點，且在二次電池中的工作機理與鋰類似。雖然鈉離子電池的理論比容量比鋰離子電池來的小，但它非常適用于大規模電網系統的儲能和電動汽車(EnergyEnviron.Sci.,5(2012)5884；化工進展，32(2013)1789)。

目前商用的有機液體電解質低溫下發生固化，導致離子電導率顯著降低進而無法滿足低溫應用要求；外部高溫和電池內部的自反應導致的熱失控形成的高溫條件，使得形成的可燃氣體和原有機溶劑極易引起燃燒爆炸，存在極大安全隱患(Nature,414(2001)359)。而凝膠型電解質作為半固態電解質也無法徹底解決安全性問題。鋰離子電池應用于大型儲能系統的首要和關鍵即時安全問題。儲能領域對二次電池的高安全性需求，推動了全固體鋰離子電池的發展。固體電解質在大型儲能電池和薄膜電池方面具有顯著優勢，特別是在極端使用條件下或者是當局部單元出現安全性問題時，采用完全不燃的無機固體電解質，可以從根本上保證電池使用的安全性(儲能科學與技術,2(2013)331；儲能科學與技術,3(2014)376；化學學報,71(2014)869)。

因此，從安全性和資源方面考慮，高性能的鈉固態電解質的開發對于儲能體系尤其是大型儲能系統的發展具有重大意義。

申請人前期成功合成立方結構的Na₃PSe₄鈉快離子導體并申報專利，其結構中含Se的(PSe₄)^3-陰離子基團骨架具有寬的離子遷移通道尺寸，更適合離子半徑較大的Na離子的遷移和擴散，加之Se^2-較S^2-更大的極化特性進一步減小了框架對遷移離子的束縛，其離子電導率能夠達到1.16mScm^-1。如果能進一步提高離子電導率，將使該類材料更適合于工業化應用。

發明內容

本發明的目的在于提出一種制備工藝簡單、原料低廉易得、離子電導率更高的用于固體電解質的鈉快離子導體材料及其制備方法。

本發明的用于固體電解質的鈉快離子導體，它的化學分子式為Na₃P_1-xSb_xSe₄，x為摩爾比，x＝0.2-1。

上述用于固體電解質的鈉快離子導體制備方法如下：

(1)原料選擇：采用高純度的起始原料，商業化的單質Na(>99％)、P(紅磷，99.999％)、Sb(99.999％)、Se(99.999％)；

(2)在手套箱內將原料放入氧化鋁坩堝中，再將坩堝放入一端封閉的石英管中，抽真空至0.1Pa，燒封石英管；再將燒封后的封閉石英管放入馬弗爐中，以0.2℃/分鐘的升溫速率加熱到700～900℃，保溫24小時，最后爐內冷卻至室溫；

(3)將步驟(2)冷卻后的塊體從石英管中取出，放入手套箱中用研缽手動將其研成粉末，再將粉末放入球磨機，在高純氬氣(99.999％)保護下球磨，轉速為100～200轉/分鐘，球磨時間6小時左右。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1、所制備的鈉快離子導體材料的離子電導率最高超過3mS/cm，是目前室溫用硫系鈉固體電解質的世界領先水平。

2、原料低廉易得，制備工藝簡單，可重復性高，適合大規模工業生產，制備出的化合物在材料的服役溫度區間性能穩定。

附圖說明