一种纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体及其制备方法与应用，所述锂镓镧锆氧粉体物相为纯立方相，化学式为Li7‑

【技术实现步骤摘要】
一种纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于由固体材料构成电解质材料的非水电解质蓄电池
，具体涉及一种纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]高能量密度、高化学稳定性、低成本的高效储能技术正面临着巨大的发展机遇期和前所未有的问题挑战。从便携式电子产品到电动汽车，电池技术已经得到了广泛的应用，几乎主导了电子生活的方方面面。随着电池的需求和应用的不断增加，实现更高能量和功率密度、更好的安全性和更低的成本的电池技术越来越受到人们的关注。
[0003]在这种情况下，固态电池技术作为一种先进技术，将在能量密度、安全性和成本三个方面超越当前的锂离子电池技术，显示出其前景。在固态电池设计中，选择良好的固态电解质的先决条件是高离子导电性、大的电化学窗口、良好的阴极和阳极材料的化学稳定性以及良好的机械性能。最近发展的石榴石型Li7La3Zr2O
12
(LLZO)固态电解质由于具有高离子电导率(10
‑4‑
10
‑3s/cm)和大的电化学窗口，对锂金属稳定性好，从而备受关注。立方相固体电解质虽然具有诸多优势但是其与电极之间界面接触性差，使得其在组装为全固态电池后电池阻抗巨大，这同样限制了其大规模应用。为解决上述问题，通常将传统固相烧结得到的LLZO粉体加入聚合物基体中制备复合固态电解质，复合固态电解质虽然综合了两种电解质的优势性能，但是传统固相烧结因为烧结温度高，往往需要额外的锂源来避免锂烧失，且得到的粉体粒径较大，需要高能球磨才能得到纳米级粉体。
[0004]基于上述背景，本专利技术通过低温煅烧和低速球磨，得到纯立方相纳米镓掺杂改性锂镧锆氧粉体，将其作为无机固态电解质粉体加入聚合物基体中组装固态电池进行测试。实验研究得到，选用该优化改进后的粉体，其复合电解质优于传统固相烧结法制备的粉体的复合电解质，为有机无机复合固态电解质的产业化节约了制造成本，简化了工艺流程。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体及其制备方法与应用。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：
[0007]提供一种纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体，所述锂镓镧锆氧粉体物相为纯立方相，化学式为Li7‑
3x
Ga
x
La3Zr2O
12
，其中X＝0.1
‑
0.3。
[0008]按上述方案，所述锂镓镧锆氧粉体粒径为100～500nm。
[0009]本专利技术还提供上述纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体的制备方法，具体步骤如下：
[0010]1)按照Li7‑
3x
Ga
x
La3Zr2O
12
，X＝0.1
‑
0.3的化学计量比称取锂源、纳米级镓源、镧源和锆源，备用；
[0011]2)将步骤1)称取的锂源、纳米级镓源、镧源和锆源与有机溶剂混合，经球磨、真空干燥处理得到混合粉末；
[0012]3)将步骤2)所得混合粉末烧结，烧结后所得块体材料再经球磨、真空干燥处理得到纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体。
[0013]按上述方案，步骤1)所述锂源选自氧化锂，碳酸锂，硝酸锂，氢氧化锂中的一种或几种，纯度99wt％以上。
[0014]按上述方案，步骤1)所述纳米级镓源选自为氧化镓，碳酸镓，硝酸镓，氢氧化镓中的一种或几种，粒径D50为500nm以下。
[0015]按上述方案，步骤1)所述镧源选自氧化镧，碳酸镧，硝酸镧，氢氧化镧中的一种或几种，纯度99wt％以上。
[0016]按上述方案，步骤1)所述锆源选自氧化锆，碳酸锆，硝酸锆，氢氧化锆中的一种或几种，纯度99wt％以上。
[0017]按上述方案，步骤2)所述有机溶剂为异丙醇，丙醇，乙醇中的一种，所述锂源、纳米级镓源、镧源和锆源质量之和与有机溶剂质量比为1：1～4。
[0018]按上述方案，步骤2)球磨转速为100～300r/min，球磨时间为8～32h。
[0019]按上述方案，步骤2)真空干燥温度为80～120℃，真空干燥时间为8～32h。
[0020]按上述方案，步骤3)烧结工艺条件为：室温下以2～5℃/min的升温速率升温至800
‑
950℃，保温8
‑
32h，然后随炉冷却。实验表明，在此温度范围内烧结所得样品的物相为纯立方相。
[0021]按上述方案，步骤3)球磨转速为100～300r/min，球磨时间为8～32h。
[0022]按上述方案，步骤3)真空干燥温度为80～120℃，真空干燥时间为8～32h。
[0023]本专利技术还提供上述纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体在固体电池领域的应用。
[0024]本专利技术还提供根据上述纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体制备得到的复合固体电解质。所述纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体与聚合物基体(如聚氧化乙烯，聚丙烯腈，聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯)，锂盐(如双三氟甲磺酰亚胺锂，高氯酸锂，四氟硼酸锂，六氟砷酸锂，六氟磷酸锂)按一定比例混合，采用有机溶剂(如乙腈，N,N
‑
二甲基甲酰胺，乙醇)混料、浇铸以及干燥，得到复合固体电解质。
[0025]本专利技术还包括根据上述复合固体电解质制备得到的固态电池。
[0026]本专利技术选用纳米级镓源对锂镧锆氧固态电解质粉体进行掺杂，由于纳米级镓源比表面积大，从而烧结推动力大，易于进入锂镧锆氧粉体中替换锂位，稳定立方相，降低烧结温度，本专利技术通过低速球磨，干燥，低温烧结制备纯立方相纳米锂镧锆氧粉体。
[0027]本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体物相组成无杂质且结构稳定，粉体粒径为100
‑
500纳米，应用于聚合物固态电解质中能够显著提升聚合物固态电解质的电导率，并且作为纳米级无机固态电解质通过与聚合物电解质的相互作用能够显著改善聚合物固体电解质的电化学窗口和对锂稳定性，具有工业化应用前景。2、本专利技术在较低温度下烧结，解决了粉体烧结中锂元素因高温烧结而流失的问题，从而避免了额外锂源的添加，工艺步骤简单，后续采用简单的球磨工艺即得到纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体，本专利技术制备方法适于工业化生产。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例1无机固态电解质粉体的SEM微观形貌图；
[0029]图2为实施例所制备的无机固态电解质粉体的粒径分布图；
[0030]图3为实施例3中无机固态电解质粉体的XRD图；
[0031]图4为实施例1中无机固态电解质粉体的复合电解质电池CV循环性能图；
[0032]图5为实施例2中无机固态电解质粉体的复合电解质电池循环性能图；
[0033]图6为实施例3中无机固态电解质粉体的复合电解质锂对称电池对锂稳定性性能图。
具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体，其特征在于，所述锂镓镧锆氧粉体物相为纯立方相，化学式为Li7‑
3x
Ga
x
La3Zr2O
12
，其中X＝0.1
‑
0.3。2.根据权利要求1所述的纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体，其特征在于，所述锂镓镧锆氧粉体粒径为100～500nm。3.一种权利要求1或2所述的纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1)按照Li7‑
3x
Ga
x
La3Zr2O
12
，X＝0.1
‑
0.3的化学计量比称取锂源、纳米级镓源、镧源和锆源，备用；2)将步骤1)称取的锂源、纳米级镓源、镧源和锆源与有机溶剂混合，经球磨、真空干燥处理得到混合粉末；3)将步骤2)所得混合粉末烧结，烧结后所得块体材料再经球磨、真空干燥处理得到纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体。4.根据权利要求3所述的纯立方相纳米锂镓镧锆氧粉体的制备方法，其特征在于，步骤1)所述锂源选自氧化锂，碳酸锂，硝酸锂，氢氧化锂中的一种或几种，纯度99wt％以上；所述纳米级镓源选自为氧化镓，碳酸镓，硝酸镓，氢氧化镓中的一种或几种，粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈斐，陆新琪，曹诗雨，张亦罗，沈强，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：