[發(fā)明專利]固態(tài)鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質(zhì)薄膜及其制備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810119950.4
• 申請(qǐng)日: 2018-02-06
• 公開（公告）號(hào): CN108511793B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閆建華;趙云;丁彬;俞建勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/0562
• 分類號(hào): 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(fā)明提供了固態(tài)鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質(zhì)薄膜及其制備。所述的固態(tài)鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于，包括：步驟1：配置前驅(qū)體溶液，所述前驅(qū)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(qū)體溶液進(jìn)行靜電紡絲得到前驅(qū)體纖維膜，靜電紡絲時(shí)在紡絲區(qū)間施加20～80℃的恒溫?zé)釄?chǎng)并控制接收裝置的溫度為?10～30℃，接收裝置的轉(zhuǎn)速為50～100n/min；步驟3：將所得的前驅(qū)體纖維膜放入在空氣氣氛下煅燒，得到固態(tài)鋰鑭鋯氧陶瓷納米纖維電解質(zhì)薄膜。本發(fā)明制備的固態(tài)LLZO陶瓷纖維電解質(zhì)薄膜具有優(yōu)良的柔性，所得到的材料為納米級(jí)別的連續(xù)定向纖維，有利于鋰離子的遷移，從而提高了粒子電導(dǎo)率，使得該材料具有很高的實(shí)際使用價(jià)值，可以有效的滿足鋰離子電池各種應(yīng)用的實(shí)際要求。

技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)

目前，大多數(shù)商用鋰電池采用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)。首先，這類電解質(zhì)存在著易泄露、易燃、易爆等安全問題，需要嚴(yán)密封裝，以保證液態(tài)電解質(zhì)不泄漏；其次，液態(tài)電解質(zhì)易與電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破壞和電池短路。再次，有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的質(zhì)量大，使電池整體重量大，導(dǎo)致電池能量密度難以得到大幅度提升。

固態(tài)電解質(zhì)恰恰可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的缺點(diǎn)。首先，全固態(tài)電解質(zhì)兼?zhèn)浒踩院谩⒛透邏骸①|(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)；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(chǎn)成本低和易于加工等優(yōu)點(diǎn)；再次，固態(tài)電解質(zhì)可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，因此電池可以使用鋰金屬作為負(fù)極，從而極大的提升電池的能量密度。但固態(tài)電解質(zhì)面臨的瓶頸之一是電導(dǎo)率低，達(dá)不到商用電導(dǎo)率(如 10^-3S/cm)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，在人們發(fā)現(xiàn)的眾多固體氧化物離子導(dǎo)體中，電導(dǎo)率較為接近商用水平的是石榴石結(jié)構(gòu)的鋰鑭鋯氧化合物，其化學(xué)式是Li3La3Zr2O12。將鋰鑭鋯氧化合物燒結(jié)成致密化陶瓷，提高和改善晶界電導(dǎo)率，是石榴石型結(jié)構(gòu)的固態(tài)離子導(dǎo)體實(shí)用化的關(guān)鍵，也是氧化物固態(tài)電解質(zhì)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(tài)電解質(zhì)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(tài)陶瓷固體電解質(zhì)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(jīng)過多次高溫?zé)Y(jié)，鋰含量不易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(dǎo)體及其制備方法，該專利采用濕化學(xué)法制備LLZO前驅(qū)體粉末，干壓成型，并在1100℃以上經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)形成LLZO陶瓷，該方法不僅制備過程復(fù)雜、能耗高而且制得的LLZO鋰離子導(dǎo)體脆性大，無法滿足柔性全固態(tài)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(dǎo)致對(duì)金屬鋰的不穩(wěn)定性，在電解質(zhì)內(nèi)部形成鋰枝晶造成短路，無法實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中工藝復(fù)雜、能耗高、柔性差、晶界阻抗高、面相容性差和鋰離子電導(dǎo)率低等缺陷，提供一種工藝簡(jiǎn)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(dǎo)率的柔性致密定向排列的固態(tài) LLZO陶瓷納米纖維電解質(zhì)薄膜及其制備方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過制備精確成分配比的前驅(qū)體溶液進(jìn)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(zhì)，定向排列的連續(xù)纖維有效提高了LLZO的電導(dǎo)率，且該電解質(zhì)具備良好的柔性，使之有望用于柔性可穿戴電子設(shè)備及高功率動(dòng)力鋰電池或鋰離子電池。

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

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