一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维，该材料的化学组成为Li

Lithium lanthanum zirconium oxygen ionic conductor ceramic fiber and preparation method thereof

The invention discloses a lithium lanthanum zirconium oxygen ionic conductor ceramic fiber, wherein the chemical composition of the material is Li

【技术实现步骤摘要】
一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维及其制备方法
本专利技术涉及无机材料
，尤其涉及一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维及其制备方法。
技术介绍
现阶段，锂离子电池存在正负极直接导通出现短路现象，安全性能得不到保证。其原因在于大多数电解质均为液态，在电解质中间设有隔膜，将电池的正负极隔开，不让其直接连通，所以现在商用的有机隔膜一般是不导电子的，但同时又为了保证锂离子的正常通过，需要隔膜存在一定的孔隙率，而电池发热将引起有机隔膜的收缩，导致正负极直接导通形成短路；固体电解质不易挥发，一般不可燃，因此选用固体电解质会具有优异的安全性。离子导体陶瓷具有较高的离子电导率，作为一种可快速传导离子的特殊功能陶瓷，越来越受到人们的关注，特别是可传导锂离子的离子导体陶瓷纤维；陶瓷纤维作为一种具有特殊形貌的陶瓷，在很多领域已经得到了应用，人们希望用其制备出固态电解质取代原有液态电解质，彻底解决锂离子电池的安全性能问题。目前制备陶瓷纤维的方法主要是静电纺丝法以及其他模板法。离子陶瓷纤维采用这些工艺进行制备工艺相对较为复杂，成本较高，而且利用上述工艺得到的离子导体陶瓷纤维的化学结构、形貌尺寸及导电性能也存在着差异，稳定性较差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种离子导体陶瓷纤维及其制备方法，本专利技术提供的离子导体陶瓷纤维形貌结构与尺寸大小稳定。利用本专利技术所述方法可简化工艺，降低生产成本，提高材料的锂离子电导率。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维，其特征在于，化学组成为Li7La3Zr2O12，纤维长度为1～2.5μm，直径为80～120nm，锂离子电导率为1.5×10-4S/cm～6×10-3S/cm。本专利技术还提供了一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：1)将碳酸锂、氧化镧、硝酸氧锆、硝酸溶液与无水乙醇混合加热，得到混合液；2)将柠檬酸和乙二醇与所述步骤1)得到的混合液混合，得到锂镧锆氧前驱体，其中碳酸锂、氧化镧、硝酸氧锆、乙二醇和柠檬酸的摩尔比为7:3:4:28:14，将所述锂镧锆氧前驱体恒温搅拌得到前驱体溶胶；3)将水溶性聚合物与所述步骤2)得到的前驱体溶胶混合搅拌，得到纺丝溶胶；4)将步骤3)得到的纺丝溶胶进行纺丝后煅烧，得到离子导体陶瓷纤维。优选的，所述步骤1)中的混合具体为：将碳酸锂和氧化镧溶于稀硝酸，得到锂-镧硝酸溶液；将硝酸氧锆溶于无水乙醇中，得到锆溶液；将所述锂-镧硝酸溶液与锆溶液混合。优选的，所述步骤1)中加热的方式为水浴加热，加热的温度为50～80℃。优选的，所述锂镧锆氧前驱体中锂镧锆氧的浓度为0.1～0.4mol/L。优选的，所述步骤2)中恒温搅拌的温度为50～80℃。优选的，所述水溶性聚合物为PVP和/或PVA。优选的，所述水溶性聚合物以水溶性聚合物水溶液的形式与前驱体溶胶混合，所述水溶性聚合物水溶液的质量浓度为10～20％，所述水溶性聚合物水溶液与前驱体溶胶的体积比为2～5:1。优选的，所述步骤4)中采用气纺的方式进行纺丝，气纺的气流速度为10～80m/s。优选的，述步骤4)中煅烧的温度为900～1500℃，煅烧的时间为0.5～12h。本专利技术提供的一种离子导体陶瓷纤维，该材料的化学组成为Li7La3Zr2O12，所述离子导体陶瓷纤维的尺寸大小稳定，长度为1～2.5μm，直径为80～120nm，形貌结构为立方相，完成了由非晶态到晶态的转变，锂离子电导率为1.5×10-4S/cm～6×10-3S/cm，得到显著提高；采用所述离子导体陶瓷纤维涂布隔膜可以增强隔膜的抗热收缩性能等机械性能，降低堵塞率，弥补隔膜因涂布降低的锂离子电导率，增强其倍率性能。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例1所制备的锂镧锆氧陶瓷纤维的X射线衍射谱；图2为本专利技术实施例1煅烧之前的前驱体纤维的SEM图；图3为本专利技术实施例1得到的锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维SEM图。具体实施方式本专利技术提供了一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维，所述离子导体陶瓷纤维的化学组成为Li7La3Zr2O12，晶型形态为立方相。在本专利技术中，所述离子导体陶瓷纤维的长度为1～2.5μm，直径为80～120nm，优选的纤维长度为1.5～2.2μm，直径为90～110nm，更优选的纤维长度为2μm，直径为100nm。本专利技术中，所述的离子导体陶瓷纤维锂离子电导率为1.5×10-4S/cm～6×10-3S/cm，优选为3.6×10-4S/cm～1.2×10-3S/cm，更优选为7×10-4S/cm～9.3×10-4S/cm。本专利技术还提供了一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：1)将碳酸锂、氧化镧、硝酸氧锆、硝酸溶液与无水乙醇混合加热，得到混合液；2)将柠檬酸和乙二醇与所述步骤1)得到的混合液混合，得到锂镧锆氧前驱体，其中碳酸锂、氧化镧、硝酸氧锆、乙二醇和柠檬酸的摩尔比为7:3:4:28:14，将所述锂镧锆氧前驱体恒温搅拌得到前驱体溶胶；3)将水溶性聚合物与所述步骤2)得到的前驱体溶胶混合搅拌，得到纺丝溶胶；4)将步骤3)得到的纺丝溶胶进行纺丝后煅烧，得到离子导体陶瓷纤维。本专利技术对原料及试剂的来源没有任何特殊限制，采用本领域技术人员熟知的原料来源或市售商品即可。本专利技术将碳酸锂、氧化镧、硝酸氧锆、硝酸溶液与无水乙醇混合加热得到混合液。优选的，所述混合具体为：将碳酸锂和氧化镧溶于硝酸溶液，得到锂-镧硝酸溶液；将硝酸氧锆溶于无水乙醇，得到锆溶液；将所述锂-镧硝酸溶液与锆溶液混合。在本专利技术中，所述碳酸锂和氧化镧的理论摩尔比优选为7:3；在本专利技术中，所述硝酸溶液的质量浓度优选为10～20％，更优选为15％；所述氧化镧和碳酸锂在锂-镧硝酸溶液中的理论质量分数优选为6％～10％和10.2％～16.3％；本专利技术中，碳酸锂的实际质量要多出8～12％，优选为10％，以补偿高温下锂的挥发。本专利技术将硝酸氧锆溶于无水乙醇中，得到锆溶液。在本专利技术中，所述硝酸氧锆在无水乙醇中的质量分数优选为18.8％～31.6％；本专利技术对于溶解没有特殊要求，采用本领域常规方法即可。所述步骤1)中的混合后，本专利技术优选将得到的混合体系在50～80℃的恒温水浴环境下进行加热搅拌，得到混合液。在本专利技术中，所述恒温水浴的温度更优选为60～70℃；得到混合液后，本专利技术将所述混合液与柠檬酸和乙二醇混合，得到锂镧锆氧前驱体。本专利技术中，所述碳酸锂、氧化镧、硝酸氧锆、乙二醇和柠檬酸的摩尔比为7:3:4:28:14；所述锂镧锆氧前驱体中锂镧锆氧的浓度为0.1～0.4mol/L，优选的浓度为0.2～0.3mol/L，更优选为0.25mol/L。本专利技术中，乙二醇为有机溶剂，用于溶解步骤1)得到的混合液，柠檬酸为有机络合剂，与金属化合物反应形成络合物防止沉淀产生，行成稳定的分散相，同时与后续步骤中的水溶性聚合物产生协同作用，防止因分散相不稳定导致后续的混料不均匀，防止各元素不能均匀分散在溶胶中。得到锂镧锆氧前驱体后，本专利技术将所述锂镧锆氧前驱体恒温搅拌得到前驱体溶胶。在本专利技术中，所述恒温搅拌的温度优选为50～80℃，更优选为60～70℃；所述恒温搅拌的时间优选12～24h，更优选为15～20h。本专利技术将得到的前驱体溶胶与水溶性聚合物混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维，其特征在于，化学组成为Li

【技术特征摘要】
1.一种锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维，其特征在于，化学组成为Li7La3Zr2O12，纤维长度为1～2.5μm，直径为80～120nm，锂离子电导率为1.5×10-4S/cm～6×10-3S/cm。2.权利要求1所述锂镧锆氧离子导体陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：1)将碳酸锂、氧化镧、硝酸氧锆、硝酸溶液与无水乙醇混合加热，得到混合液；2)将柠檬酸和乙二醇与所述步骤1)得到的混合液混合，得到锂镧锆氧前驱体，所述碳酸锂、氧化镧、硝酸氧锆、乙二醇和柠檬酸的摩尔比为7:3:4:28:14，将所述锂镧锆氧前驱体恒温搅拌得到前驱体溶胶；3)将水溶性聚合物与所述步骤2)得到的前驱体溶胶混合搅拌，得到纺丝溶胶；4)将步骤3)得到的纺丝溶胶进行纺丝后煅烧，得到离子导体陶瓷纤维。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的混合具体为：将碳酸锂和氧化镧溶于稀硝酸，得到锂-镧硝酸溶液；将硝酸氧锆溶于无水乙醇中，得到锆溶液；将所述锂-镧硝酸溶液与锆...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玉川，李峥，何泓材，何朝凌，杨帆，南策文，
申请(专利权)人：清陶昆山能源发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32