[發(fā)明專利]一種用于固態(tài)電池的高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料及其制備方法與應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211000422.X
• 申請(qǐng)日: 2022-08-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115332619A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅巍;陳雨薇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/0562
• 分類號(hào): H01M10/0562
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 劉燕武

本發(fā)明涉及一種用于固態(tài)電池的高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料及其制備方法與應(yīng)用，該高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料的組分為石榴石型氧化物(Li₆La₃(ZrHfTaNb)₀.₅O₁₂)，該材料采用以下方法制備得到：(1)按照化學(xué)計(jì)量比稱取碳酸鋰、氧化鑭、氧化鋯、氧化鉿、氧化鉭和氧化鈮放入球磨罐中，然后加入異丙醇分散劑和磨球，進(jìn)行球磨處理，再經(jīng)干燥得到前驅(qū)體粉末；(2)將前驅(qū)體粉末放在馬弗爐中進(jìn)行煅燒，得到高熵氧化物粉體；(3)取高熵氧化物粉體、異丙醇分散劑和磨球放入球磨罐，進(jìn)行球磨處理，然后經(jīng)干燥、過(guò)篩、壓片、燒結(jié)得到目的產(chǎn)物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)具有高離子電導(dǎo)率和低電子電導(dǎo)率，具有良好的化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性，能與鋰兼容。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于固態(tài)鋰電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于固態(tài)電池的高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池以其無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)性能好、綠色環(huán)保的特性，在儲(chǔ)能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，儲(chǔ)能市場(chǎng)的需求對(duì)鋰離子電池的性能提出挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)能量密度與安全性提出了更高的要求。傳統(tǒng)鋰離子電池使用的液態(tài)有機(jī)電解液往往具有可燃燒的特性，對(duì)電池安全造成威脅。此外，液態(tài)電解液的電壓窗口較窄，不適宜匹配高電壓正極，使電池的能量密度受限。無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)以其不可燃的特性大幅提升電池的安全性能。一種具有寬電化學(xué)窗口的固態(tài)電解質(zhì)能夠同時(shí)匹配金屬鋰負(fù)極和高壓正極材料，滿足電池的高能量密度需求。然而，離子電導(dǎo)率低是固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用受限的主要因素之一，一個(gè)具有高離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)高安全性、高能量密度固態(tài)電池的基礎(chǔ)。

“高熵”這一概念自2004年在合金領(lǐng)域中提出以來(lái)(參見(jiàn)Mater.Sci.Eng.,A2004,375-377,213-218；Adv.Eng.Mater.2004,6,299-303)，憑借其兼具的高熵效應(yīng)、緩慢動(dòng)力學(xué)、晶格畸變、性能上的“雞尾酒”效應(yīng)，受到廣泛關(guān)注，激發(fā)著研究者們對(duì)于新材料探索的熱情。高熵材料一般由五種及五種以上以等摩爾比或近等摩爾比的元素構(gòu)成，或者其構(gòu)型熵大于1.5R。近十年來(lái)，高熵材料的種類已經(jīng)從合金覆蓋至碳化物、氧化物、氮化物、硫化物等，應(yīng)用領(lǐng)域也更為廣泛，包括儲(chǔ)能、催化、熱電、熱障涂層等。以氧化物為例，其具有豐富的晶格結(jié)構(gòu)種類以及元素選擇范圍，為高熵氧化物的組成提供了巨大的可能性，并且高熵所帶來(lái)的高熵效應(yīng)以及元素之間的相互協(xié)同作用能夠有效提升材料性能，因此高熵有望成為一種按需設(shè)計(jì)材料的技術(shù)手段。在儲(chǔ)能領(lǐng)域中，在材料的晶格結(jié)構(gòu)中引入多種元素，元素之間原子尺寸以及與氧離子間鍵能的差異會(huì)對(duì)晶格結(jié)構(gòu)造成扭曲，對(duì)離子在材料中的遷移產(chǎn)生影響。目前，高熵氧化物在電池領(lǐng)域的報(bào)道主要集中在電極材料，用于鋰電池的高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)還鮮有報(bào)道，僅有研究者報(bào)道的巖鹽石結(jié)構(gòu)高熵氧化物(MgCoNiCuZn)_1-x-yGa_yA_xO(A＝Li,Na,K)(參見(jiàn)J.Mater.Chem.A 2016,4,9536-9541)，和硫銀鍺礦型高熵聚陰離子電解質(zhì)材料(參見(jiàn)ACS Materials Lett.2022,4,418-423)，且其中部分元素與金屬鋰不兼容，不適宜直接與金屬鋰負(fù)極搭配使用，文獻(xiàn)中也沒(méi)有相應(yīng)高熵電解質(zhì)在鋰電池中的性能報(bào)道。

因此，開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異、制備工藝簡(jiǎn)便，同時(shí)與金屬鋰具有良好兼容性的高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料是固態(tài)電池開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了提供一種用于固態(tài)電池的高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)材料及其制備方法與應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)中固態(tài)電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率低、高熵氧化物固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰不兼容的缺陷。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：