[發明專利]一種制備鈉離子固體電解質的軟化學合成方法

有效

• 申請號: 202011269915.4
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112563564B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 吳潔;高靖雄;朱蕾;吳勇民;周羅增;湯衛平
• 申請（專利權）人: 上海空間電源研究所
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562;H01M10/054
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 賈慧琴;周乃鑫

本發明公開了一種制備鈉離子固體電解質的軟化學合成方法，其包括：步驟1：將鋰離子固體電解質和固相的鈉離子交換劑均勻混合，得到混合粉末；步驟2：對混合粉末進行熱處理，以合成鈉離子固體電解質；熱處理過程中鋰離子固體電解質和鈉離子交換劑保持固相狀態；步驟3：采用溶劑溶解多余的鈉離子交換劑和合成的副產物，離心后獲得含有鈉離子固體電解質的固體產物；步驟4：將得到的固體產物干燥后和鈉離子交換劑均勻混合，重復步驟2?3若干次，以提高固體產物中鈉離子固體電解質的含量。本發明通過鋰離子固體電解質和鈉離子交換劑之間在低溫熱處理條件下的固相交換合成鈉離子固體電解質，方法簡便、成本低，易于工業化應用。

技術領域

本發明涉及新能源材料領域，具體涉及一種制備鈉離子固體電解質的軟化學合成方法。

背景技術

在自然界中，由于鈉元素含量比鋰豐富，鈉離子電池具有成本較低、更具可持續性發展的優勢。與采用有機電解液的鋰離子電池類似，以有機液體為電解液的鈉離子電池同樣會具有安全性的問題。固體電解質的熱穩定性高、電化學窗口寬，用鈉離子固體電解質取代有機電解液發展全固態鈉電池不僅可以有效解決安全問題，還能提高電池的能量密度。

與鋰離子電解質相比，鈉離子固體電解質的種類和數量少得多，尤其是高離子電導率的鈉離子固體電解質。Na₃Zr₂Si₂PO₁₂和Na-beta-A1₂O₃是兩種被廣泛研究的鈉離子固體電解質。Na₃Zr₂Si₂PO₁₂的室溫離子電導率可達到6.7×10^-4S/cm。Na-beta-A1₂O₃有兩種不同的晶體結構：β-A1₂O₃(六方晶系：P63/mmc)和β〃-A1₂O₃(菱形：R3m)，由于β〃相含有較多的鈉離子，其離子電導率比β相的要高，能達到2×10^-3S/cm。通過對Na₃Zr₂Si₂PO₁₂進行元素摻雜可以得到具有較高離子電導率的鈉離子固體電解質，如Sc摻雜得到的Na_3.4Sc_0.4Zr_1.6Si₂PO₁₂的室溫離子電導率為4×10^-3S/cm。但是元素摻雜不易準確控制產物的元素計量比，容易產生雜質，因此可重復性較差，不易大規模生產。Na-beta-A1₂O₃較高的合成溫度(1200-1600℃)也可能會限制它的大規模應用。因此，發展新的制備鈉離子固體電解質的方法具有重要意義。

目前，離子交換法已被用于制備新型鋰離子固體電解質。湯衛平等人以及辻村知之等分別在CN201910563541.8和CN201280041281.4中，以鈉離子導體為前驅體，通過離子交換法來制備鋰離子固體電解質。湯衛平等人和辻村知之等分別使用了離子液體和熔融鹽作為離子交換媒介。但是，一方面，熔融鹽由于溫度較高，破壞性較強，很容易導致在離子交換過程中產物的晶體結構崩塌，得不到純相的交換產物；另一方面，以離子液體作為交換媒介時，反應條件相對溫和，能得到高純度的交換產物，但是成本較高。

發明內容

本發明的目的是提供一種成本較低的、簡便易行的、反應條件溫和的鈉離子固體電解質的制備方法。

為了達到上述目的，本發明提供了一種制備鈉離子固體電解質的軟化學合成方法，其包括：

步驟1：將鋰離子固體電解質和固相的鈉離子交換劑均勻混合，得到混合粉末；

步驟2：對所述的混合粉末進行熱處理，使鋰離子固體電解質中的鋰離子和鈉離子交換劑中的鈉離子產生離子交換，以合成鈉離子固體電解質；熱處理過程中所述的鋰離子固體電解質和所述的鈉離子交換劑保持固相狀態；