[發明專利]一種高離子電導率氧化物固態電解質薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 202111063606.6
• 申請日: 2021-09-10
• 公開（公告）號: CN113809391B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 彭爭春;譚飛虎
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562;H01M10/052;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 劉芙蓉

本發明公開一種高離子電導率氧化物固態電解質薄膜的制備方法，其包括步驟：提供Li_xLa_yTiO₃陶瓷靶材，其中0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.8；通過磁控濺射方式將Li_xLa_yTiO₃陶瓷靶材制成第一Li_xLa_yTiO₃固態電解質薄膜；將第一Li_xLa_yTiO₃固態電解質薄膜進行快速退火處理，得到Li_xLa_yTiO₃固態電解質薄膜。本發明制備得到具有高離子電導率的500nm?2μm厚度的Li_xLa_yTiO₃固態電解質薄膜，其結構致密均勻。且該固態電解質薄膜，其在20～140℃環境下均表現出良好的結構與性能穩定性，離子電導率為10^?7～10^?4S/cm，滿足全固態電池用固態電解質的要求。

技術領域

本發明涉及全固態鋰電池技術領域，尤其涉及一種高離子電導率氧化物固態電解質薄膜的制備方法。

背景技術

全固態鋰電池具有極高的安全性，其固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現象，搭載全固態鋰電池的汽車的自燃概率會大大降低。此外，當固態電解質使用在小型設備例如手機、腕表甚至更微型的器件上時，由于采用固態電解質替換掉原始的液態的電解液，使得電池可以簡化對封裝的需求，而更薄的固態電解質也有利于提升電池的體積能量密度與質量能量密度，并有助于實現能源單元的柔性化等。目前，固態電解質相對于電解液而言最大的缺點即為其離子電導率低，目前商用的LiPON(鋰磷氧氮)固態電解質的離子電導率僅為10^-6-10^-8S/cm。因此，全固態電池研究的關鍵點就在于研發具有高離子電導率的固態電解質。

當前研究的固態電解質主要分為聚合物、氧化物、硫化物、鹵化物等體系，各體系各有優勢。例如聚合物容易實現較高的離子電導率，但使用溫度區間受限且厚度多為20-100μm范圍。硫化物具有高離子電導率，但對空氣中的水分或者氧氣等敏感，容易變性失效。鹵化物電導率跨度大，研究相對較少。其中，氧化物固態電解質由于具有相對較高的離子電導率，結構穩定性與化學穩定性均有著優異的性能，從而成為了研究人員關注的熱點。具體到氧化物電解質，按照其晶體結構的不同又可以細分為鈣鈦礦型、反鈣鈦礦型、NASICON型、Garnet型(類石榴石型)。LiLaTiO₃體系為一種典型的鈣鈦礦型結構。已有研究表明，塊體的LiLaTiO₃體系的離子電導率可達10^-3S/cm，足以媲美電解液。目前，關于LiLaTiO₃體系的固態電解質已有部分報道，例如新加坡國立大學M.V.Reddy通過溶膠-凝膠的方式制備的鈦酸鑭鋰(LLTO)離子電導率達～1×10^-5S/cm；華南理工大學Haihui Wang用輥壓的方式制備的LLTO離子電導率為2×10^-5S/cm；伊茲密爾理工學院Mehtap Ozdemira通過磁控濺射獲得電導率為0.96×10^-5S/cm的LLTO薄膜；武漢理工大學Xiujian Zhao同樣采用磁控濺射制備得到離子電導率為5×10^-5S/cm的LLTO薄膜。可以看出，采用磁控濺射制備固態電解質薄膜具有薄膜厚度可控、缺陷少，并可制備厚度為100～2000nm的固態電解質，通過減少固態電解質的厚度提升電池的體積能量密度。目前，使用磁控濺射制備LLTO固態電解質的方法尚未進入產業化，且使用磁控濺射+快速退火制備高離子電導率(＞10^-4S/cm)的LLTO未見報道。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種高離子電導率氧化物固態電解質薄膜的制備方法，旨在解決現有制備的氧化物固態電解質薄膜離子電導率低的問題。

本發明的技術方案如下：