[發明專利]固態鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質薄膜及其制備

有效

• 申請號: 201810119950.4
• 申請日: 2018-02-06
• 公開（公告）號: CN108511793B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 閆建華;趙云;丁彬;俞建勇
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562;H01M10/0525;D01F9/08
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;王婧

本發明提供了固態鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質薄膜及其制備。所述的固態鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質薄膜的制備方法，其特征在于，包括：步驟1：配置前驅體溶液，所述前驅體溶液由鋰源、鑭源、鋯源、高分子聚合物和溶劑組成；步驟2：將前驅體溶液進行靜電紡絲得到前驅體纖維膜，靜電紡絲時在紡絲區間施加20～80℃的恒溫熱場并控制接收裝置的溫度為?10～30℃，接收裝置的轉速為50～100n/min；步驟3：將所得的前驅體纖維膜放入在空氣氣氛下煅燒，得到固態鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質薄膜。本發明制備的固態LLZO陶瓷纖維電解質薄膜具有優良的柔性，所得到的材料為納米級別的連續定向纖維，有利于鋰離子的遷移，從而提高了粒子電導率，使得該材料具有很高的實際使用價值，可以有效的滿足鋰離子電池各種應用的實際要求。

技術領域

本發明屬于新能源材料與技術領域，涉及一種柔性致密定向排列的固態鋰鑭鋯氧(LLZO)陶瓷納米纖維電解質薄膜及其制備方法，可用于全固態鋰電池及柔性鋰電池技術領域，尤其涉及一種靜電紡絲制備固態電解質薄膜的方法。

背景技術

目前，大多數商用鋰電池采用有機液態電解質。首先，這類電解質存在著易泄露、易燃、易爆等安全問題，需要嚴密封裝，以保證液態電解質不泄漏；其次，液態電解質易與電極發生化學反應導致電極結構破壞和電池短路。再次，有機液態電解質的質量大，使電池整體重量大，導致電池能量密度難以得到大幅度提升。

固態電解質恰恰可以彌補傳統有機液態電解質的缺點。首先，全固態電解質兼備安全性好、耐高壓、質量輕等優點；其次，可將電池制成各種形狀，從而使電池具有耐壓、耐沖擊、生產成本低和易于加工等優點；再次，固態電解質可以抑制鋰枝晶的生長，因此電池可以使用鋰金屬作為負極，從而極大的提升電池的能量密度。但固態電解質面臨的瓶頸之一是電導率低，達不到商用電導率(如 10^-3S/cm)的標準。目前，在人們發現的眾多固體氧化物離子導體中，電導率較為接近商用水平的是石榴石結構的鋰鑭鋯氧化合物，其化學式是Li3La3Zr2O12。將鋰鑭鋯氧化合物燒結成致密化陶瓷，提高和改善晶界電導率，是石榴石型結構的固態離子導體實用化的關鍵，也是氧化物固態電解質使用的瓶頸問題。

一些研究者們通過摻雜金屬離子，來提高LLZO固態電解質的性能，如專利CN201210067219.4公開了一種銻摻雜的Li7-xLa3Zr2-xSbxO12(0＜x≤0.5)晶態陶瓷固體電解質材料，以及專利CN201210067219.4、CN201510603965.4等成果，都是采用高溫固相法合成材料，合成工藝較為繁雜，且經過多次高溫燒結，鋰含量不易實現準確控制。專利CN201610355709.2公開了一種硼摻雜的石榴石型LLZO鋰離子導體及其制備方法，該專利采用濕化學法制備LLZO前驅體粉末，干壓成型，并在1100℃以上經過長時間燒結形成LLZO陶瓷，該方法不僅制備過程復雜、能耗高而且制得的LLZO鋰離子導體脆性大，無法滿足柔性全固態鋰電池彎曲、折疊等形變要求。另外，摻雜不同的金屬離子可能導致對金屬鋰的不穩定性，在電解質內部形成鋰枝晶造成短路，無法實際商業化應用。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中工藝復雜、能耗高、柔性差、晶界阻抗高、面相容性差和鋰離子電導率低等缺陷，提供一種工藝簡單、成本低廉、柔性較好、晶界阻抗小、界面相容性好并具有高鋰離子電導率的柔性致密定向排列的固態 LLZO陶瓷納米纖維電解質薄膜及其制備方法。

為了達到上述目的，本發明通過制備精確成分配比的前驅體溶液進行靜電紡絲，在較低溫度下煅燒即可形成LLZO陶瓷纖維電解質，定向排列的連續纖維有效提高了LLZO的電導率，且該電解質具備良好的柔性，使之有望用于柔性可穿戴電子設備及高功率動力鋰電池或鋰離子電池。

本發明提供了一種固態鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質薄膜的制備方法，其特征在于，包括：

步驟1：配置前驅體溶液，所述前驅體溶液由鋰源、鑭源、鋯源、高分子聚合物和溶劑組成；