[發(fā)明專利]一種共燒結(jié)改性固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010877519.3
• 申請(qǐng)日: 2020-08-27
• 公開（公告）號(hào): CN111916822B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉興泉;肖雨;郝帥;劉金濤;紀(jì)煜垚;李蕾;何澤珍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/0562
• 分類號(hào): H01M10/0562;H01M10/058;H01M4/62
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 甘茂

本發(fā)明屬于固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及鋰電池固態(tài)電解質(zhì)材料及其制備，具體提供一種共燒結(jié)改性固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片及其制備方法，用以解決現(xiàn)有LATP固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片要獲得高致密的陶瓷片需要成本更大的真空燒結(jié)技術(shù)，且存在離子電導(dǎo)率不高、正極與電解質(zhì)界面接觸差、鋰金屬副反應(yīng)等問題。本發(fā)明，采用空氣氣氛下的硼酸、氧化釔(Y₂O₃)和/或氧化鋯(ZrO₂)共燒結(jié)工藝，對(duì)LATP進(jìn)行共燒結(jié)改性，得到微觀結(jié)構(gòu)形貌呈納米磚堆砌狀的固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片；所述固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片能夠在空氣氣氛下燒結(jié)，對(duì)設(shè)備成本要求低，得到的陶瓷片致密度高，同時(shí)，電導(dǎo)率提高；并且硼酸水熱包覆有利于保護(hù)與支撐LATP結(jié)構(gòu)，減少與鋰金屬的副反應(yīng)；進(jìn)而提升固態(tài)電池的循環(huán)壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于固態(tài)電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及鋰電池固態(tài)電解質(zhì)材料及其制備，具體為一種應(yīng)用于固態(tài)電池的高性能共燒結(jié)改性固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片及其制備方法。

背景技術(shù)

自1990年索尼公司將鋰離子電池商業(yè)化以來，鋰離子電池為人類社會(huì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予鋰電池領(lǐng)域三位卓越的科學(xué)家，這是對(duì)鋰電池的價(jià)值貢獻(xiàn)的又一次肯定。近年來，伴隨著電動(dòng)汽車的興起，以及大規(guī)模儲(chǔ)電裝置的迫切需求，傳統(tǒng)鋰離子電池已經(jīng)不再滿足社會(huì)的需求，開發(fā)新型安全、大容量、大功率和長壽命的二次鋰電池成為焦點(diǎn)，尤其集中在新能源汽車領(lǐng)域需求。

當(dāng)前商業(yè)化的新能源汽車動(dòng)力電池，大多采用正極材料、有機(jī)電解液+隔膜、石墨負(fù)極等組成的傳統(tǒng)電池，并結(jié)合Pack工藝，電池管理技術(shù)(Battery Manage System，BMS)構(gòu)成新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)。這種傳統(tǒng)體系容易出現(xiàn)漏液、腐蝕電極、電解質(zhì)結(jié)晶析出等情況，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，生成的鋰枝晶容易刺穿隔膜造成電池短路，發(fā)生起火，這是目前新能源汽車事故頻發(fā)的重要誘發(fā)原因。為了解決這一問題，人們開始著眼全固態(tài)電池的商業(yè)化，對(duì)鋰離子固體電解質(zhì)開始進(jìn)行了大量研究。

與商用鋰離子電池相比，全固態(tài)電池最突出的優(yōu)點(diǎn)是安全性；其主要優(yōu)點(diǎn)為以下：(1)固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不存在漏液?jiǎn)栴}，因而全固態(tài)電池具有固有安全性和更長的使用壽命；(2)固態(tài)電解質(zhì)比有機(jī)電解液普遍具有更寬的電化學(xué)窗口，有利于進(jìn)一步拓寬電池的電壓范圍；在發(fā)展大容量電極方面，固態(tài)電解質(zhì)能阻止鋰枝晶的生長，因而也就從根本上避免了電池的短路現(xiàn)象，使鋰金屬用作負(fù)極成為商業(yè)化可能；(3)對(duì)于鋰-硫電池，固態(tài)電解質(zhì)可阻止多硫化物的遷移；對(duì)于鋰-空氣電池，固態(tài)電解質(zhì)可以防止氧氣遷移至負(fù)極側(cè)消耗金屬鋰負(fù)極；(4)固態(tài)材料內(nèi)在的高低溫穩(wěn)定性，為全固態(tài)電池工作在更寬的溫度范圍提供了基本保證。目前，常見的固態(tài)電解質(zhì)大致為有機(jī)聚合物類，如聚環(huán)氧乙烷PEO等；氧化物類固態(tài)電解質(zhì)，如以鋰鑭鋯氧(LLZO)為代表的橄欖型結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)，以磷酸鈦鋁鋰(LATP)為代表的NASICON型電解質(zhì)等；硫化物類固態(tài)解質(zhì)如Li₁₀GeP₂S₁₂等。在這些的固態(tài)電解質(zhì)中，NASICON型鋰離子電解質(zhì)具有較高的導(dǎo)電率、水氧穩(wěn)定，較好的熱和機(jī)械穩(wěn)定性、種類繁多便于研究的優(yōu)勢(shì)，因此有著巨大的應(yīng)用前景；但是，現(xiàn)有LATP固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片要獲得高致密的陶瓷片需要成本更大的真空燒結(jié)技術(shù)，且存在離子導(dǎo)電率不高、正極與電解質(zhì)界面接觸、鋰金屬副反應(yīng)等問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有LATP固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片存在的諸多問題，提供一種共燒結(jié)改性固態(tài)電解質(zhì)陶瓷片及其制備方法；本發(fā)明采用硼酸(HBO₃)、氧化釔(Y₂O₃)和/或氧化鋯(ZrO₂)對(duì)LATP(Li_1.3Al_0.3Ti_1.7P₃O₁₂)進(jìn)行共燒結(jié)改性(為便于表述，本發(fā)明中將改性后LATP分別命名為LATP-B-Y，LATP-B-Zr，及LATP-B-Y_1-xZr_x、0≤x≤1)，使之能夠在空氣氣氛中燒結(jié)得到高致密度陶瓷片、且保持優(yōu)異的電化學(xué)性能。