一种微晶固态电解质及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微晶固态电解质，包括以下重量份组分：氧化锂10～22份、氧化镧8～12份、氧化锆或二氧化铪10～18份、氧化硼18～35份、二氧化硅20～35份、三氧化钨0.1～10份和三氧化二锑0.01～3份。还提供了微晶固态电解质的制备方法。本发明专利技术利用硅硼酸盐玻璃的分相、大半径离子的支撑和不等价离子的协调作用，来改善锂离子电池氧化物玻璃态固体电解质室温离子电导率，提高氧化物玻璃电解质在室温时的电导率。

A microcrystalline solid electrolyte and its preparation

The invention discloses a microcrystalline solid electrolyte, which comprises the following weight components: 10-22 parts of lithium oxide, 8-12 parts of lanthanum oxide, 10-18 parts of zirconia or hafnium dioxide, 18-35 parts of boron oxide, 20-35 parts of silicon dioxide, 0.1-10 parts of tungsten trioxide and 0.01-3 parts of antimony trioxide. The preparation method of microcrystalline solid electrolyte is also provided. The invention improves the room temperature ionic conductivity of the oxide glass solid electrolyte of the lithium-ion battery and improves the conductivity of the oxide glass electrolyte at room temperature by using the phase separation of the silicate borate glass, the support of the large radius ions and the coordination of the unequal ions.

【技术实现步骤摘要】
一种微晶固态电解质及其制备方法
本专利技术涉及固体电解质
，具体涉及一种微晶固态电解质及其制备方法。
技术介绍
锂电池的固体电解质按材料组成结构分为单晶固体电解质、多晶固体电解质、微晶固体电解质、非晶固态电解质等，其中单晶固体电解质制备工艺复杂，工艺控制难度系数大，多晶固态电解质通常采用烧结的方式获得，难以消除气孔等缺陷，而非晶固态电解质采用熔融冷却的方法获得，可以减少气孔的影响，但是离子电导率仍然不高，但是经过微晶化处理后，可以得到大量的纳米尺度的微晶区域，能够有效的提升离子迁移通道。与化学成分相同的晶态固体电解质相比，微晶固体电解质同时拥有多晶和非晶的优点，同时不存在晶界影响，无气孔影响，离子迁移数接近1，可直接制成薄片、容易加工成型，能通过连续调整、控制材料的化学成分和热历史来研究材料的成分和结构与其电导机理之间的关系。玻璃态固体电解质按氧化物种类分为：硫化物玻璃电解质、氧化物玻璃电解质。硫化物玻璃电解质相较于氧化物玻璃电解质的电导率更大(～10-2S·cm-1),但硫化物玻璃电解质的化学稳定性差，易吸水释放硫化氢气体。玻璃态氧化物锂固体电解质稳定性好，并且在它的网络结构里只有锂离子可以迁移，但是，当前氧化物玻璃电解质的离子电导率一般很小，室温电导率只有10-7～10-8S·cm-1，这成为其在固态锂离子电池中商业化发展和应用的最大限制，经过微晶化处理后，能够大大提升其室温电导率。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种微晶固态电解质及其制备方法，利用硅硼酸盐玻璃的分相、大半径离子的支撑和不等价离子的协调作用，来改善锂离子电池氧化物玻璃态固体电解质室温离子电导率，提高氧化物玻璃电解质在室温时的电导率。为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微晶固态电解质，包括以下重量份组分：氧化锂10～22份、氧化镧8～12份、氧化锆或二氧化铪10～18份、氧化硼18～35份、二氧化硅20～35份、三氧化钨0.1～10份和三氧化二锑0.01～3份。进一步，包括以下重量份组分：氧化锂13份、氧化镧8份、氧化锆或二氧化铪14.5份、氧化硼29份、二氧化硅33份、三氧化钨2.5份和三氧化二锑1份。进一步，氧化锆或二氧化铪可替换为氧化锆和二氧化铪混合物。进一步，氧化锆和二氧化铪混合物中，氧化锆和二氧化铪以任意比例混合。上述微晶固态电解质的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳酸锂、氧化镧、氧化锆和/或二氧化铪、硼酸、二氧化硅、三氧化钨和三氧化二锑加入振动球磨机中，球磨0.1～3h，得微粉；(2)将步骤(1)中球磨后的微粉升温至1180～1300℃，使其达到熔融状态，得到玻璃液，并保温0.5～3h；(3)将模具预热到300～500℃，然后将步骤(2)所得保温后的玻璃液倒入预热后的模具中，压制成1～2mm厚的固态玻璃电解质；(4)将步骤(3)所得玻璃电解质放入400～550℃温度下保温0.5～3h，再自然冷却至室温；(5)将步骤(4)中退火后的样品在550～650℃温度下进行结晶化处理，保温20～1440min，得微晶固态电解质。进一步，步骤(1)中球磨罐和球磨介质材质为氧化锆。进一步，步骤(2)中升温速率为4～6℃/min。进一步，步骤(3)中玻璃液在5～30s内倒入预热模具中。综上所述，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术主要针对当前氧化物玻璃电解质室温电导率不高的问题，利用硅硼酸盐玻璃的分相、大半径离子的支撑和不等价离子的协调作用，来改善锂离子电池氧化物玻璃态固体电解质室温离子电导率。2、本专利技术所提供的微晶固态电解质的组分中，二氧化硅提供网络结构，氧化锆和氧化镧的引入实现大半径离子导入，使得离子通道变大，加入氧化硼成分，利用硅酸盐玻璃中的“硼反常现象”，同时引入氧化锂而提高体系中的锂离子浓度；部分的引入三氧化钨组分，能够利用W6+离子的极化作用，诱导玻璃析晶，通过控制析晶条件，得到晶粒尺寸可控的纳米级的微晶组织，同时产生大量的晶界和相界面，为Li+扩散提供了通道，从而提高了Li+的扩散速率，提高锂离子电导率，随着三氧化钨含量的增加，玻璃的熔制温度有所提升。3、在硅酸盐氧化物玻璃电解质由硅氧四面体形成网络。由于氧化锂的掺入，使得大分子链断裂，产生出大量能自由运动的锂离子，从而使电导率增加；但是随着氧化锂的继续加入，会导致非桥接氧原子数增加，非桥接氧原子的出现，使硅氧四面体失去原有的完整性和对称性，从而让玻璃结构变得不紧密，能吸收捕捉迁移中的锂离子，降低电导率。加入氧化硼组分，由于会出现“硼反常现象”，所以随着氧化硼含量的提高，玻璃结构由紧密变为疏松，玻璃中的游离锂离子是在电场作用下从而能够在玻璃网络结构中进行传导。4、在制备固体电解质时，引入0.01～5％的三氧化钨将玻璃形成后退火保温一定时间，控制玻璃组分析晶能够在玻璃中产生一定的微晶相，晶粒尺寸在15～200nm之间，晶粒组织以Li6Zr2O7、La2Zr2O7、Li2SiO3和玻璃相为主，这一过程中产生大量的晶界和相界面，为离子扩散提供了界面扩散通道，在一定程度上提升了材料的锂离子电导率。5、对得到的玻璃电解质材料进行打磨、抛光、被银处理后，利用安捷伦4294A型阻抗测试仪测试，得到离子电导率在10-4～10-7S·cm-1，性能优于现有其他氧化物玻璃态固体电解质性能，不存在晶界和气孔的影响，且具有良好的成型加工性能。具体实施方式实施例1一种微晶固态电解质，包括以下重量份组分：氧化锂10份、氧化镧8份、氧化锆10份、氧化硼18份、二氧化硅20份、三氧化钨1份和三氧化二锑0.5份。上述微晶固态电解质的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳酸锂、氧化镧、氧化锆、硼酸、二氧化硅、三氧化钨和三氧化二锑加入振动球磨机中，球磨1h，得微粉；其中，球磨罐和球磨介质材质为氧化锆；(2)将步骤(1)中球磨后的微粉升温至1180℃，升温速率为5℃/min，使其达到熔融状态，得到玻璃液，并保温0.5h；(3)将模具预热到300℃，然后将步骤(2)所得保温后的玻璃液倒入预热后的模具中，压制成1mm厚的固态玻璃电解质；(4)将步骤(3)所得玻璃电解质放入400℃温度下保温0.5h，再自然冷却至室温；(5)将步骤(4)中退火后的样品在550℃温度下进行结晶化处理，保温60min，得微晶固态电解质。实施例2一种微晶固态电解质，包括以下重量份组分：氧化锂13份、氧化镧8份、氧化锆或二氧化铪14.5份、氧化硼29份、二氧化硅33份、三氧化钨2.5份和三氧化二锑1份。上述微晶固态电解质的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳酸锂、氧化镧、氧化锆、硼酸、二氧化硅、三氧化钨和三氧化二锑加入振动球磨机中，球磨1h，得微粉；其中，球磨罐和球磨介质材质为氧化锆；(2)将步骤(1)中球磨后的微粉升温至1280℃，升温速率为5℃/min，使其达到熔融状态，得到玻璃液，并保温2h；(3)将模具预热到500℃，然后将步骤(2)所得保温后的玻璃液倒入预热后的模具中，压制成1mm厚的固态玻璃电解质；(4)将步骤(3)所得玻璃电解质放入530℃温度下保温2h，再自然冷却至室温；(5)将步骤(4)中退火后的样品在580℃温度下进行结晶化处理，保温180min，得微晶固态电解质。实施例3一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微晶固态电解质，其特征在于，包括以下重量份组分：氧化锂10～22份、氧化镧8～12份、氧化锆或二氧化铪10～18份、氧化硼18～35份、二氧化硅20～35份、三氧化钨0.1～10份和三氧化二锑0.01～3份。

【技术特征摘要】
1.一种微晶固态电解质，其特征在于，包括以下重量份组分：氧化锂10～22份、氧化镧8～12份、氧化锆或二氧化铪10～18份、氧化硼18～35份、二氧化硅20～35份、三氧化钨0.1～10份和三氧化二锑0.01～3份。2.如权利要求1所述的微晶固态电解质，其特征在于，包括以下重量份组分：氧化锂13份、氧化镧8份、氧化锆或二氧化铪14.5份、氧化硼29份、二氧化硅33份、三氧化钨2.5份和三氧化二锑1份。3.如权利要求1或2所述的微晶固态电解质，其特征在于，所述氧化锆或二氧化铪可替换为氧化锆和二氧化铪混合物。4.权利要求1～3任一项所述的微晶固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将碳酸锂、氧化镧、氧化锆和/或二氧化铪、硼酸、二氧化硅、三氧化钨和三氧化二锑加入振动球磨机中，球磨0.1～3h，得微粉；(2)将步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张骞，蒙福海，陈思彬，钟盛文，廖瑞雄，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36