γ-LiAlO制造技术

本发明专利技术公开了γ‑LiAlO

【技术实现步骤摘要】
γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片与制备碱金属离子电解质的应用
本专利技术属于碱金属离子电池
，涉及一种γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片及制法与制备碱金属离子电解质的应用，更具体地，涉及一种γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料、复合聚合物电解质和碱金属电池，以及该复合聚合物电解质用于制备碱金属离子电解质的应用。
技术介绍
随着电动汽车、移动便携设备的普及，人们对电化学储能技术提出了更高的要求。发展高能量和高功率密度已成为目前储能技术发展的关键。碱金属电池采用碱金属单质作为负极，具有极高的理论容量。然而，碱金属电池由于本身化学性质活泼，容易与电解液反应，消耗电解液的同时，产生界面副产物、枝晶生长和短路问题，使得电池难以在高倍率下保持长期稳定运行。研究证明，开发具有高室温电导率和碱金属离子迁移数的电解质有利于碱金属离子在负极表面的均匀沉积，抑制枝晶生长同时提升碱金属电池运行稳定性。传统的聚合物基电解质材料具有较好的柔性和可加工性，且电极与电解质之间接触良好，有较好的实际应用前景。然而，其在室温下往往具有较低的室温电导率和离子迁移数，限制了其在锂金属电池中的应用。通过加入无机填料制备复合聚合物电解质是一种主要的技术方向。目前用于聚合物基电解质材料填充改性的材料有纳米颗粒、纳米线，二纳米片和纳米骨架材料等。其中，纳米颗粒尽管在基质中分散性差、易发生团聚，难以形成连续的离子传输路径，对电解质室温电导率和离子迁移数提升有限；纳米线材料制备工艺复杂，且与聚合物基质混合后往往形成复杂的碱金属离子通道，对电解质室温电导率和离子迁移数提升有限；纳米骨架材料虽然可以提供连续的碱金属离子通道，但其中无机填料的尺寸通常达到微米量级，难以暴露大表面积与聚合物基质和锂盐相互作用，提供的锂离子通道也有限，因此对电解质室温电导率和离子迁移数提升有限。本专利技术中的γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片无机填料具有大表面积和丰富的表面官能团，可以暴露更多的活性位点与聚合物基质和锂盐相互作用，并提供大量的锂离子运动通道，提升电解质室温电导率和离子迁移数的同时，有利于提高电解质化学/电化学稳定性、力学稳定性和热稳定性。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中电解质材料离子电导率和迁移数不高，致使碱金属离子电池的能量密度不高、循环寿命不长的技术问题，本专利技术提供了一种γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料及制法与制备碱金属离子电解质的应用，采用这种填料与聚合物基体、电解质盐、非水有机溶剂制备的复合聚合物电解质具有高的室温电导率和迁移数，室温电导率可以达到～10-3S/cm，且锂离子迁移数～0.91，是一种理想的碱金属离子电解质。高的室温电导率及锂离子迁移数促进了碱金属离子在碱金属金属负极表面的均匀沉积，增强电解质的界面稳定性。最终，由这种复合聚合物电解质组装的锂金属电池可以在2C倍率下，稳定循环1500圈以上，仍保持94.7％的容量。根据本专利技术第一方面，提供了一种γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料的制备方法，包括以下步骤：(1)将铝源和表面活性剂溶解于混合有机溶剂中，然后置于水热反应釜中进行水热反应，所述水热反应的温度为90℃-200℃，时间为8h-24h；所述水热反应完成后进行离心，将离心所得沉淀物进行洗涤和干燥，得到无定形态Al2O3纳米片；(2)将步骤(1)得到的无定形态Al2O3纳米片与锂盐充分混匀，然后在200℃-900℃条件下进行退火处理，所述退火处理的时间为0.5h-5h，退火过程中无定形态Al2O3向γ-Al2O3发生相转变以及γ-LiAlO2生成，得到γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料。优选地，所述铝源为氯化铝、异丙醇铝、硝酸铝或硫酸铝；所述锂盐为碳酸锂、醋酸锂或硝酸锂；所述铝源与表面活性剂的物质的量之比为1：(1-20)；所述无定形态Al2O3纳米片为锂盐质量的1％～10％。优选地，所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基溴化铵或聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三段共嵌聚合物；所述混合有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中至少两种的混合溶液。按照本专利技术的另一方面，提供了任一所述方法制备得到的γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料。按照本专利技术的另一方面，提供了一种复合聚合物电解质，包括权利要求4所述的γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料、聚合物基体和电解液。优选地，所述γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料的质量为聚合物基体质量的0.1～50％；所述聚合物基体为聚偏氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚环氧丙烷和聚偏氯乙烯中的至少一种。按照本专利技术的另一方面，提供了所述的复合聚合物电解质用于制备碱金属离子电解质的应用。优选地，包括以下步骤：(1)将聚合物基体和γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料溶解于有机溶剂中，得到均匀的浆料；(2)将步骤(1)得到的浆料通过溶液浇筑法涂敷在载玻片上，真空干燥，除去有机溶剂，制成薄膜；(3)将步骤(2)得到的薄膜浸泡于电解液中制成碱金属离子电解质。优选地，所述有机溶剂为丙酮、乙腈和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种；所述真空干燥的温度为40℃-100℃。按照本专利技术的另一方面，提供了一种碱金属电池，包括所述的复合聚合物电解质。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的有益效果：(1)本专利技术中γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料具有纳米结构，制备方法简单节能，条件易控，原料易得且成本低廉，可以显著提高复合聚合物电解质的锂离子电导率及并大大提高了碱金属离子迁移数，有利于碱金属离子在碱金属单质负极表面均匀沉积，最终达到让碱金属电池在高倍率下长时间稳定运行的目的。该材料在碱金属电池领域具有潜在应用价值。(2)利用本专利技术方法制备的复合纳米结构γ-LiAlO2/γ-Al2O3纳米片具有高的比表面积和丰富的表面官能团，表面官能团可以于聚合物基体及锂盐发生相互作用，在与聚合物、电解液混合制备复合聚合物电解质后，基于该电解质的锂离子迁移数达0.91。(3)本专利技术提供了一种γ-LiAlO2/γ-Al2O3纳米片作为复合聚合物电解质填料。采用这种填料与聚合物基体制备的复合聚合物电解质具有高的室温电导率和迁移数。室温电导率可以达到～10-3S/cm，且锂离子迁移数～0.91，是一种理想的锂离子电解质，由这种复合聚合物电解质组装的锂金属电池具有优异的电化学性能，可以在2C倍率下，稳定循环1500圈以上，仍保持94.7％的容量。(4)本专利技术中复合聚合物电解质中加入γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片无机填料具有高的比表面积和丰富的表面官能团，表面官能团可以于聚合物基体及电解液发生相互作用，有利于提高电解质化学/电化学稳定性、力学稳定性和热稳定性。(5)本专利技术比较了不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种γ-LiAlO

【技术特征摘要】
1.一种γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铝源和表面活性剂溶解于混合有机溶剂中，然后置于水热反应釜中进行水热反应，所述水热反应的温度为90℃-200℃，时间为8h-24h；所述水热反应完成后进行离心，将离心所得沉淀物进行洗涤和干燥，得到无定形态Al2O3纳米片；
(2)将步骤(1)得到的无定形态Al2O3纳米片与锂盐充分混匀，然后在200℃-900℃条件下进行退火处理，所述退火处理的时间为0.5h-5h，退火过程中无定形态Al2O3向γ-Al2O3发生相转变以及γ-LiAlO2生成，得到γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料。


2.如权利要求1所述的γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料的制备方法，其特征在于，所述铝源为氯化铝、异丙醇铝、硝酸铝或硫酸铝；所述锂盐为碳酸锂、醋酸锂或硝酸锂；所述铝源与表面活性剂的物质的量之比为1：(1-20)；所述无定形态Al2O3纳米片为锂盐质量的1％～10％。


3.如权利要求1所述的γ-LiAlO2与γ-Al2O3复合纳米片填料的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基溴化铵或聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三段共嵌聚合物；所述混合有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇和丙三醇中至少两种的混合溶液。


4....

【专利技术属性】
技术研发人员：郭新，周晓燕，李卓，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42