一种以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池及制备方法技术

本发明专利技术的一种以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池及制备方法，电池包括锂离子固体电解质片、正极片、正极壳、锂片、负极壳、电解液LiPF6、滤纸片、不锈钢片和弹片。制法为：按化学计量对原料进行称量，取原料Li2CO3、SrCO3、ZrO2和Nb2O5混合球磨后，将湿料烘干后研磨至磨细，将细干料放入氧化铝坩埚中，并放于箱式电阻炉中，升温至1100℃并保温10小时煅烧，使碳酸盐充分分解后冷却；研磨压片得到锂离子固体电解质片隔膜样品后，进行固相合成反应后冷却，生成锂离子固体电解质片，制备正极片后进行电池装备，封装制成成品。该锂离子电解质片离子电导率高，电子电导率低，致密度高，锂枝晶不易刺穿，制得锂电池循环性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池及制备方法
本专利技术涉及固体电解质和电化学领域，适用于以锂离子固体电解质片为隔膜的钮扣电池，具体地涉及一种以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池及制备方法。
技术介绍
锂电池是目前广泛应用的储能器件，其具有高比容量、长循环寿命、无记忆效应的特性，又具有安全、可靠且能快速充放电等优点，得到了广大的研究人员的关注，是新能源领域研究的热点。锂电池通常是由以下部件组成：正极材料，负极材料，电解质，隔膜以及电池外壳等组成。锂电池的隔膜主要的作用是隔绝正负极使得电子不能够通过以防止短路，另外可以通过锂离子进行充放电过程。目前隔膜主要是聚乙烯和聚丙烯为主，在以金属锂为负极充电过程中，锂枝晶会刺穿隔膜造成电池短路，会引发燃烧和爆炸的危险。所以开发一种可以降低锂枝晶生长的负极或者限制锂枝晶刺穿的隔膜成为了发展锂电池的关键。锂离子固体电解质最初是用来制备全固态电池使用的，它属于一种功能陶瓷。但是目前来说，锂离子固体电解质存在着锂离子电导率低和固固界面阻抗大的瓶颈。因此，若要做成全固态锂离子电池仍然要有很长的路要走。然而锂离子固体电解质具有较强的硬度和一定的机械性能，可以防止锂枝晶的刺穿，因此能够提高锂电池的安全性能。锂离子电池的固体电解质主要包括LISICON/Thio-LISICON、NASICON、石榴石型固体电解质、钙钛矿型/反钙钛矿型固体电解质。其中石榴石型和钙钛矿型固体电解质受到了学者的广泛关注。这两类固体电解质锂离子电导率均能达到～10-4S·cm-1，接近于液体电解质的电导率。而且固体电解质的电子电导率极低，一般是离子电导率的万分之一。BingHuang与Chang-AnWang发表的Li-IonConductionandStabilityofPerovskiteLi3/8Sr7/16Hf1/4Ta3/4O3，利用高温固相法合成了具有钙钛矿型结构的锂离子固体电解质，25摄氏度时固体电解质的锂离子电导率为3.8×10-4Scm-1。通过对电解质制备正极进行循环伏安测试，结果显示该固体电解质对金属锂不稳定，在1.4V时锂离子可以嵌入到电解质中。
技术实现思路
本专利技术的目的针对现有技术的问题，提供一种以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池及制备方法，该锂电池以锂离子固体电解质片为固体隔膜，LiFePO4作为正极，金属锂作为负极，两端添加LiPF6来降低界面阻抗，然后在手套箱中装备纽扣电池。该电池以0.2C的速度进行首次充放电，其容量为101.0mAhg-1。在进行50次充放电后，其容量仍能保持95％以上的容量。以上都说明了，以锂离子固体电解质片为隔膜的纽扣电池性能优良，可以应用到锂电池中。以锂离子固体电解质片为隔膜的钮扣锂电池及其制备方法，具体地涉及一种(LiFePO4/LiPF6/Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3固体电解质片/LiPF6/Li)钮扣电池，适用于锂二次电池；其涉及了一种取代现有的锂离子电池隔膜并改善和抑制锂枝晶的生长的方法；采用高温固相合成的方法制备的锂离子固体电解质片具有高密度，高强度；锂电池的正极采用LiFePO4，负极采用金属锂片，电解液采用LiPF6。在手套箱中进行装备，以0.2C的速度多次充放电仍能使锂电池具有优良的电化学性能，并且至少可以充放电300次以上。本专利技术的一种以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池，其部件包括锂离子固体电解质片、正极片、正极壳、锂片、负极壳、电解液LiPF6、滤纸片、不锈钢片和弹片，所述的锂离子固体电解质片是烧结后的Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3陶瓷片。所述的锂离子固体电解质片直径为16mm，厚度为0.3mm。其作用与商业化的隔膜相同。所述的锂离子固体电解质片作为隔膜使用。所述的正极片由LiFePO4、铝箔、PVDF溶液和乙炔黑制备而成，其中，按质量比LiFePO4：PVDF溶液：乙炔黑＝8:20:1。所述的PVDF溶液由PVDF粘结剂与NMP按质量比例为1:19混合配制而成。所述的正极片的直径为13mm，正极厚度为100μm。所述的锂片为负极片。所述的锂片与电解液LiPF6均是商业化产品。其中锂片的直径为16mm，厚度为1mm。所述的滤纸片为普通的定性滤纸，其直径为18mm，厚度为1mm，用于在电池中储存电解液LiPF6。所述的正极壳、负极壳、不锈钢片、弹片的型号为CR2032，外观尺寸为直径20mm，厚度为3.2mm。本专利技术的以锂离子固体电解质片为隔膜的钮扣锂电池，该纽扣电池工作温度为25℃，首次纽扣电池的放电容量可达101.0mAhg-1，300次后容量仍然有87.9mAhg-1，可以作为电能储存器件。一种以锂离子固体电解质片为隔膜的钮扣锂电池的制备方法，包括以下几个步骤：步骤1，锂离子固体电解质片制备：(1)按照Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3的化学计量对原料进行称量，取原料Li2CO3、SrCO3、ZrO2、Nb2O5，按摩尔比0.45:0.4375:0.25:0.75混合，球磨，形成湿料；(2)将湿料倒入玻璃培养皿中，盖好盖，烘干形成干料，将干料研磨至磨细，形成细干料；其中，所述的烘干温度为120℃，烘干时间2为h；(3)将细干料放入氧化铝坩埚中，并放于箱式电阻炉中，升温至1100℃并保温10小时煅烧，使碳酸盐充分分解后冷却；(4)煅烧后的材料研磨直至磨细后，压片得到锂离子固体电解质片隔膜Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3样品；(5)样品进行固相合成反应后冷却，生成Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3陶瓷片；即为锂离子固体电解质片；其中，所述的固相合成反应温度为1250℃，保温时间为10h；步骤2，正极片制备：(1)按质量比，LiFePO4：PVDF溶液：乙炔黑＝8:20:1，将原料混合后涂布到金属铝箔上，形成极片涂层；(2)涂布好的极片涂层经过干燥处理后，切割成圆极片，压实作为正极片；步骤3，电池装备：依次放置正极壳，正极片，浸有LiPF6的滤纸片，Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3陶瓷片，浸有LiPF6的滤纸片，负极片和不锈钢片，弹片和负极壳，封装制成以锂离子固体电解质片为隔膜的钮扣锂电池。所述的步骤1(1)中，原料Li2CO3、SrCO3、ZrO2和Nb2O5经过烘干处理，以除去原料中的水分，便于精确地称料，烘干过程为，以150℃在鼓风干燥箱中烘干5小时。所述的步骤1(1)中，Li2CO3配比中包括20％用来补偿高温下的挥发。所述的步骤1(1)中，球磨操作在行星式球磨机中进行，具体过程为：将原料放入聚氨酯球磨罐中，以酒精味分散剂，氧化锆球为球磨介质，再将球磨罐放入行星式球磨机中以300r/min的转速球磨12小时。所述的步骤1(2)中，烘干操作在鼓风干燥箱中进行，干料研磨操作在玛瑙研钵中进行。所述的步骤1(3)中，箱式电阻炉的升温制度为室温到300℃所用时间为50min，300℃到1000℃所用的时间为90min，1000℃到1100℃所用的时间为50min，冷却方式为随炉冷却。所述的步骤1(4)中，煅烧后的材料放入玛瑙研钵中研磨。所述的步骤1(4)中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池，其特征在于，包括锂离子固体电解质片、正极片、正极壳、锂片、负极壳、电解液LiPF6、滤纸片、不锈钢片和弹片，所述的锂离子固体电解质片是烧结后的Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3陶瓷片。

【技术特征摘要】
1.一种以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池，其特征在于，包括锂离子固体电解质片、正极片、正极壳、锂片、负极壳、电解液LiPF6、滤纸片、不锈钢片和弹片，所述的锂离子固体电解质片是烧结后的Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3陶瓷片。2.根据权利要求1所述的以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池，其特征在于，所述的锂离子固体电解质片的锂离子电导率为1.23×10-5S·cm-1，锂离子固体电解质片的电子电导率为1.15×10-8S·cm-1。3.权利要求1所述的以锂离子固体电解质片为隔膜钮扣锂电池的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1，锂离子固体电解质片制备：(1)按照Li0.375Sr0.4375Zr0.25Nb0.75O3的化学计量对原料进行称量，取原料Li2CO3、SrCO3、ZrO2和Nb2O5，按摩尔比0.45:0.4375:0.25:0.75混合，球磨，形成湿料，其中，多加20wt％的碳酸锂到原料中以弥补高温过程中锂元素的挥发；(2)将湿料倒入玻璃培养皿中，盖好盖，烘干形成干料，将干料研磨至磨细，形成细干料；其中，所述的烘干温度为120℃，烘干时间2为h；(3)将细干料放入氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：厉英，卢佳垚，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21