[發(fā)明專(zhuān)利]一種Nb、Ta共摻石榴石型LLZO固體電解質(zhì)及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910229169.7
• 申請(qǐng)日: 2019-03-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109935901A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳斐;向興;沈強(qiáng);張聯(lián)盟
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M10/0562
• 分類(lèi)號(hào): H01M10/0562;H01M10/058;H01M10/0525
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專(zhuān)利代理有限公司 42102
• 代理人: 王守仁

本發(fā)明提供了一種Nb、Ta共摻石榴石型LLZO固體電解質(zhì)及其制備方法，該固體電解質(zhì)可廣泛應(yīng)用于全固態(tài)電池中。固體電解質(zhì)表達(dá)式為L(zhǎng)i_7?x?yLa₃Zr_2?x?yNb_xTa_yO₁₂，其中x、y值為0～1.5，且0.1≤x+y≤1.5。這種具有立方相石榴石結(jié)構(gòu)的Nb、Ta共摻LLZO固體電解質(zhì)，可通過(guò)傳統(tǒng)固相法、溶膠凝膠法、場(chǎng)助燒結(jié)、熱壓燒結(jié)等方法在800～1300℃下制得，其室溫鋰離子電導(dǎo)率為2.50×10^?4S/cm～1.40×10^?3S/cm。本發(fā)明通過(guò)采用價(jià)格較低廉的Nb和能顯著提高LLZO離子電導(dǎo)率的Ta共同取代Zr位，得到高離子電導(dǎo)率、低成本的LLZO，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于固體電解質(zhì)制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型Nb、Ta共摻石榴石型LLZO固體電解質(zhì)及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池以其高能量密度、低自放電、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)而得到人們的青睞。然而，目前商用鋰離子電池存在一些嚴(yán)重缺陷：所采用的有機(jī)電解液存在易燃、易腐蝕、甚至爆炸的安全隱患。近年來(lái)手機(jī)電池、電動(dòng)車(chē)電池燃燒爆炸的新聞時(shí)有報(bào)道。

采用固體電解質(zhì)取代有機(jī)電解液，與正負(fù)極組裝成全固態(tài)鋰電池，能從根本上解決鋰離子電池的安全隱患，同時(shí)進(jìn)一步提高能量密度并簡(jiǎn)化組裝。固體電解質(zhì)主要分為有機(jī)固體電解質(zhì)和無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)。其中，相比于有機(jī)固體電解質(zhì)，無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)具有離子電導(dǎo)率高，機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)。

在眾多的無(wú)機(jī)固體鋰離子電解質(zhì)中，Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)以其較高的室溫離子電導(dǎo)率(＞10^-4S/cm)，較寬的電化學(xué)窗口(≥5.5 V/Li)，與金屬鋰接觸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而成為最有前途的固體電解質(zhì)之一。LLZO是2007年由德國(guó)Murugan R(Murugan R,Thangadurai V,Weppner W.Angewandte Chemie,2007，46(41)7778–81.)首次報(bào)道的一種具有石榴石結(jié)構(gòu)的鋰離子導(dǎo)體。隨后E.Rangasamya等人(E Rangasamy,J Wolfenstine,J Sakamoto.SolidState Ionics，2012，206(1)，28-32)發(fā)現(xiàn)，LLZO存在兩種相結(jié)構(gòu)，即高溫立方相與低溫四方相。相比于四方相，立方相需在較高溫度下合成，但其離子導(dǎo)電率(～10^-4S/cm)比四方相(～10^-6S/cm)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，滿(mǎn)足實(shí)用性要求。此外，立方相LLZO對(duì)空氣穩(wěn)定，而四方相在100～150℃的空氣中會(huì)發(fā)生相變。因此，獲得純立方相的石榴石結(jié)構(gòu)，燒結(jié)成致密化陶瓷，是石榴石型結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)實(shí)用化的關(guān)鍵。