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一种锂离子固体电解质隔膜及其制备和使用方法技术

技术编号:23402942 阅读:21 留言:0更新日期:2020-02-22 14:55
一种锂离子固体电解质隔膜及其制备和使用方法,分子式为Al

Lithium ion solid electrolyte separator and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子固体电解质隔膜及其制备和使用方法
本专利技术涉及锂电池材料
,特别涉及一种锂离子固体电解质隔膜及其制备和使用方法。
技术介绍
随着工业社会的迅速发展,人类对二次能源的需求愈来愈强,锂电池由于其优异的性能有望成为二次能源的储能设备之一。锂电池具有能量密度高,电化学性能优异,电化学窗口宽,循环寿命长,安全性高等优点,主要由正极、负极、电解质、隔膜和外壳组成,商业化电池隔膜的主要作用是将电池的正、负极分开,防止两极接触而发生短路,同时使电解质离子通过并阻止电子通过,因此电池隔膜的性能决定了电池的界面结构、阻抗等,从而影响电池的容量、循环性能以及安全性能。目前被广泛应用的锂电池多使用液态电解质,但使用过程中液态电解质与金属锂负极接触会产生锂枝晶,锂枝晶的生长会导致锂电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定,而且会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积,这些都将是造成电池的安全隐患,所以开发一种抑制锂枝晶生长的隔膜对解决安全问题起着关键的作用。固体电解质原本应用于全固态锂离子电池中,但考虑到其具有良好的力学性能和电化学性能,使其作为一种隔膜来解决锂电池存在的锂枝晶问题将是一种新的技术手段。目前应用于全固态锂离子电池固体电解质种类颇多,包括NASICON、LISICON、石榴石型、钙钛矿及反钙钛矿型等;对于钙钛矿型固体电解质,因具有优异的电化学性能而倍受关注,其化学通式为ABO3,12个A位原子位于立方体的顶点处,B位原子位于立方体的中心,B位离子和O离子构成BO6八面体结构,再由多个BO6八面体连接形成离子传输通道,A位离子则占据在通道内,即锂离子可在A位产生的空位中进行传导。但是众所周知,应用于全固态锂离子电池中使得固固界面阻抗较大而导致电导率较低以及致密性差的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种锂离子固体电解质隔膜及其制备和使用方法,通过加入氧化铝作为烧结助剂,提高隔膜的离子导电率,进而改善锂电池的性能。本专利技术的锂离子固体电解质隔膜的分子式为Al2O3/Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3;其中Al2O3占Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3总质量的1%,并且Al2O3分子均匀分布在Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3分子中。上述的锂离子固体电解质隔膜为片状,厚度0.5mm。上述锂离子固体电解质隔膜的锂离子电导率4.73×10-5S·cm-1,电子电导率1.64×10-8S·cm-1。本专利技术的锂离子固体电解质隔膜的制备方法包括以下步骤:1、准备Li2CO3、SrCO3、TiO2和Nb2O5作为原料,原料中Li2CO3、SrCO3、TiO2和Nb2O5的摩尔比为0.35:0.475:0.3:0.7,并且Li2CO3过量20%;2、采用无水乙醇作为分散剂,将原料球磨混合分散10~15h,然后烘干去除分散剂,制成前驱体;3、将前驱体置于带盖的氧化铝坩埚内,然后置于电阻炉中,升温至1100±5℃预烧,使前驱体中的残余水分和碳酸盐被蒸发去除,随炉冷却至常温,获得预烧料;4、将预烧料过100目筛,筛下物料与粒径≤100目的Al2O3粉混合,混合比例按Al2O3占预烧料总质量的1%,制成混合粉料;5、采用无水乙醇作为分散剂,将混合粉料球磨至酒精全部挥发,然后用压片机压制成电解质片;6、将电解质片置于氧化铝板上,用母粉覆盖,所述的母粉为步骤4中的混合粉料;然后置于电阻炉中,升温至1250±5℃后煅烧10h,随炉冷却至常温,制成陶瓷片;将陶瓷片抛光后制成钙钛矿型的锂离子固体电解质隔膜。上述的步骤2中,无水乙醇的用量以完全浸没原料为准,步骤5中,无水乙醇的用量以完全浸没混合粉料为准。上述的步骤2中,烘干温度150±5℃,时间至少2h。上述的步骤3中,升温至1100±5℃过程中,从室温升温至300±5℃时,控制升温速度为6~6.5℃/min;从300±5℃升温至1000±5℃时,控制升温速度为7~7.5℃/min;从1000±5℃升温至1100±5℃时,控制升温速度为2~3℃/min。上述的步骤5中,压制压力4~6MPa,保压时间至少30s。上述的步骤6中,升温至1250±5℃过程中,从室温升温至300±5℃时,控制升温速度为6~6.5℃/min;从300±5℃升温至1000±5℃时,控制升温速度为7~7.5℃/min;从1000±5℃升温至1250±5℃时,控制升温速度为2~3℃/min。上述的步骤5中,电解质片的厚度0.5mm。本专利技术的锂离子固体电解质隔膜的使用方法包括以下步骤:1、将锂离子固体电解质隔膜作为锂离子隔膜;2、准备正极壳、正极片、负极片、LiPF6电解液、滤纸片、负极壳、不锈钢片和弹片;所述的正极片材质为LiFePO4;负极片为锂片;滤纸片为定性滤纸;3、在手套箱中将滤纸片浸入LiPF6电解液中,取出后获得电解液滤纸;4、在手套箱中将电解液滤纸、锂离子隔膜、正极壳、正极片、负极片、负极壳、不锈钢片和弹片组装成锂电池。上述的锂电池在0.2C的倍率下进行首次充放电,电池容量157.57mAhg-1,进行50次充放电后容量141.61mAhg-1,容量保持率95%以上。上述的正极片的制备方法为:将LiFePO4粉末、PVDF溶液和乙炔黑按照质量比8:1:1混合均匀,然后涂覆到金属铝箔上,在100±3℃条件下干燥至少24h,在金属铝箔上获得固体LiFePO4;将固体LiFePO4切割成圆形,用压片机在压力10MPa条件下压制制成正极片;所述的PVDF溶液由PVDF和NMP按质量比1:19混合溶解搅拌均匀制成。与现有的技术相比,本专利技术的优点如下:1、以三氧化二铝为烧结助剂,制成的钙钛矿型的锂离子固体电解质隔膜,在室温下具有更高的锂离子电导率,更低的电子电导率,同时具有良好的致密性,机械强度高,且不会被锂电池中产生的锂枝晶刺穿,因此可以作为锂离子隔膜使用;2、锂离子固体电解质隔膜作为隔膜应用到锂电池中,其充放电性能和循环性能良好,可以充放电可达100次以上。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的锂离子固体电解质隔膜和对比试验的锂离子固体电解质片的X射线衍射图;图中,上部曲线为实施例1,下部曲线为对比试验;图2为本专利技术实施例1中制备的锂离子固体电解质隔膜的扫描电镜图;图3为本专利技术实施例1中对比试验的锂离子固体电解质片扫描电镜图;图4为本专利技术实施例1中制备的锂离子固体电解质隔膜和对比试验的锂离子固体电解质片的交流阻抗曲线图;图中,●为实施例1,■为对比试验;图5为本专利技术实施例中的锂电池剖面结构示意图;图中,1、负极壳,2、弹片,3、不锈钢片,4、负极片,5、电解液滤纸,6、锂离子隔膜,7、正极片,8、正极壳;图6为本专利技术实施例1中锂电池的充放电容量-电压曲线图,图中:(a)为第一圈充放电曲线,(b)为第50圈充放本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种锂离子固体电解质隔膜,其特征在于分子式为Al

【技术特征摘要】
1.一种锂离子固体电解质隔膜,其特征在于分子式为Al2O3/Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3;其中Al2O3占Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3总质量的1%,Al2O3分子均匀分布在Li0.35Sr0.475Ti0.3Nb0.7O3分子中。


2.根据权利要求1所述的一种锂离子固体电解质隔膜,其特征在于外形为片状,厚度0.5mm。


3.根据权利要求1所述的一种锂离子固体电解质隔膜,其特征在于其锂离子电导率4.73×10-5S·cm-1,电子电导率1.64×10-8S·cm-1。


4.一种锂离子固体电解质隔膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)准备Li2CO3、SrCO3、TiO2和Nb2O5作为原料,原料中Li2CO3、SrCO3、TiO2和Nb2O5的摩尔比为0.35:0.475:0.3:0.7,并且Li2CO3过量20%;
(2)采用无水乙醇作为分散剂,将原料球磨混合分散10~15h,然后烘干去除分散剂,制成前驱体;
(3)将前驱体置于带盖的氧化铝坩埚内,然后置于电阻炉中,升温至1100±5℃后预烧,使前驱体中的残余水分和碳酸盐被蒸发去除,随炉冷却至常温,获得预烧料;
(4)将预烧料过100目筛,筛下物料与粒径≤100目的Al2O3粉混合,混合比例按Al2O3占预烧料总质量的1%,制成混合粉料;
(5)采用无水乙醇作为分散剂,将混合粉料球磨至酒精全部挥发,然后用压片机压制成电解质片;
(6)将电解质片置于氧化铝板上,用母粉覆盖,所述的母粉为步骤4中的混合粉料;然后置于电阻炉中,升温至1250±5℃后煅烧10h,随炉冷却至常温,制成陶瓷片;将陶瓷片抛光后制成钙钛矿型的锂离子固体电解质隔膜。


5.根据权利要求4所述的一种锂离子固体电解质隔膜的制备方法,其...

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

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