一种高锂离子扩散率的固态电解质材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高锂离子扩散率的固态电解质材料及其制备方法和应用领域。该高锂离子扩散率的固态电解质材料的化学式为：Li

【技术实现步骤摘要】
一种高锂离子扩散率的固态电解质材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于全固态锂离子电池领域，特别涉及一种高锂离子扩散率的固态电解质材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着锂离子二次电池在智能手机、新能源车、节能储能等领域的不断推广和规模化应用，市场对锂离子电池的比能量需求、快速充电需求、使用寿命需求日益提升。目前商业化的锂离子二次电池主要为有机电解液体系，在提高充电截止电压(比能量提升)和提高充放电电流(快速充放电制式)下，由于电解液的耐高压、高温性能的限制，电池的安全性存在很大隐患，容易发生热失控进而导致电池着火、爆炸的风险。另一方面，电解液易挥发、泄露，随着充放电循环次数的增长，电解液被消耗贻尽，电池容量出现跳水，电液泄露也会带来安全上的风险。因此，高比能量密度下，提升电池的安全性能和循环寿命是下一代锂离子电池开发的重点方向。
[0003]全固态锂离子电池因不使用液体的有机电解液体系，不存在电液泄露、挥发消耗的问题，同时，固态电解质可以阻隔电池内部正极和负极的内短路，较有机电解液体系的锂离子二次电池全固态锂离子二次电池安全性能大幅提高。
[0004]ABO3型钙钛矿类固态电解质材料具有晶粒电导率高(10
‑3S/cm)、材料强度高、结构稳定，具备很好的应用潜力。但其晶界电阻很大，Ti
4+
离子容易被金属锂还原等问题，是制约其应用的主要技术瓶颈。
[0005]本专利技术公开的钙钛矿型固态电解质材料Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3具有锂离子扩散速率快、结构稳定，装配成全固态电池具有比能量高、安全性能好的优势。该材料的应用有望实现新一代锂离子动力电池比能量密度达到400Wh/kg的目标，大幅提升新能源车的续航里程。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种高锂离子扩散速率的固态电解质材料及其制备方法。设计了一种通过前驱体合成、控制结晶高温固相反应的技术，制备单晶尺寸更大、晶界扩散速度更快的钙钛矿型固态电解质材料。
[0007]一种高离子扩散率的固态电解质材料，所述固态电解质材料的分子式为Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3，其中：0＜x≤0.1。
[0008]一种高离子扩散率的固态电解质材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009]S1：制备La
0.5
Mn(OH)
3.5
前驱体
[0010]1)配置浓度为0.1～1mol/L的氨水溶液I；
[0011]2)配置金属摩尔比为1:2的La、Mn可溶性盐溶液II，其中，以金属离子的总量计，金属离子的总浓度为1～5mol/L；
[0012]3)配置浓度为2～10mol/L的NaOH碱溶液III；
[0013]4)将配置好的可溶性盐溶液II打入反应釜，可溶性盐溶液II打入体积为反应釜体积的40％～60％；然后将步骤1)中的氨水溶液I、步骤3)中的NaOH碱溶液III分别以25～60RPM的速度打入反应釜中；
[0014]5)通过调节氨水溶液I、NaOH碱溶液III的打入速度，控制反应釜中pH在10～13之间，反应釜搅拌桨转速为100～500转/分钟，反应釜溶液温度保持在30～80℃，反应时间≥5h；
[0015]5)反应结束后，将反应得到的浆料进行固液分离，并用去离子水洗涤固体物，在100～150℃下烘干、过筛后得到即得到La
0.5
Mn(OH)
3.5
前驱体；
[0016]S2：制备电解质材料Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3[0017]6)按分子式Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3(0＜x≤0.1)称取步骤5)中得到的La
0.5
Mn(OH)
3.5
前驱体、锂盐和助熔剂B2O3，充分混合均匀后制成片状物料；
[0018]7)将步骤6)中得到的片状物料置于含氧气氛中进行高温固相反应，所述高温固相反应的反应温度为900℃～1200℃，反应时间为4h～48h，产物经破碎后，即得到固态电解质材料Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3。
[0019]优选的，所述步骤2)中La、Mn可溶性盐溶液为硫酸盐、氯化盐、乙酸盐溶液中的一种或多种。
[0020]优选的，所述步骤2)中可额外加入盐溶液，所述盐溶液中含有Ti、Mg、Al、Zr、Ni、Co、W、Nb、V、F中的一种或多种添加元素，其中，以添加元素总质量计，添加元素/Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3＝0.01％～2％。
[0021]优选的，步骤6)中所述的锂盐为碳酸锂、氢氧化锂中的一种或两种。
[0022]上述固态电解质材料或根据上述制备方法所制备的固态电解质材料在全固态电池中的应用。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024]本专利技术通过引入B2O3助溶剂结合压制烧结工艺，优化高温固相反应的结晶过程，得到晶界较少的大单晶Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3，抑制材料的晶界阻抗，达到提高材料锂离子的扩散速率的目的。
[0025]本专利技术公开的固态电解质材料可应用于3C消费类电子产品的电源，新能源车动力电池等领域，也可以应用于各种用途化学储能电源领域，如电动工具以及太阳能发电、风力发电等大规模储能设备。
附图说明
[0026]图1是本专利技术提供的制备方法的制备工艺路线图。
具体实施方式
[0027]下面结合实施案例对本专利技术作更详尽的说明，但不限于此。
[0028]一种高离子扩散率的固态电解质材料，所述固态电解质材料的分子式为Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3，其中：0＜x≤0.1。
[0029]一种高离子扩散率的固态电解质材料的制备方法，包括如下步骤：
[0030]S1：制备La
0.5
Mn(OH)
3.5
前驱体
[0031]1)配置浓度为0.1～1mol/L的氨水溶液I；
[0032]2)配置金属摩尔比为1:2的La、Mn可溶性盐溶液II，其中，以金属离子的总量计，金属离子的总浓度为1～5mol/L；
[0033]3)配置浓度为2～10mol/L的NaOH碱溶液III；
[0034]4)将配置好的可溶性盐溶液II打入反应釜，可溶性盐溶液II打入体积为反应釜体积的40％～60％；然后将步骤1)中的氨水溶液I、步骤3)中的NaOH碱溶液III分别以25～60RPM的速度打入反应釜中；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高锂离子扩散率的固态电解质材料，其特征在于：所述固态电解质材料的分子式为Li
0.5
La
0.5
MnO3·
xB2O3，其中：0＜x≤0.1。2.制备如权利要求1所述的高锂离子扩散率的固态电解质材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制备La
0.5
Mn(OH)
3.5
前驱体1)配置浓度为0.1～1mol/L的氨水溶液I；2)配置金属摩尔比为1:2的La、Mn可溶性盐溶液II，其中，以金属离子的总量计，金属离子的总浓度为1～5mol/L；3)配置浓度为2～10mol/L的NaOH碱溶液III；4)将配置好的可溶性盐溶液II打入反应釜，可溶性盐溶液II打入体积为反应釜体积的40％～60％；然后将步骤1)中的氨水溶液I、步骤3)中的NaOH碱溶液III分别以25～60RPM的速度打入反应釜中；5)通过调节氨水溶液I、NaOH碱溶液III的打入速度，控制反应釜中pH在10～13之间，反应釜搅拌桨转速为100～500转/分钟，反应釜溶液温度保持在30～80℃，反应时间≥5h；5)反应结束后，将反应得到的浆料进行固液分离，并用去离子水洗涤固体物，在100～150℃下烘干、过筛后得到即得到La
0.5
Mn(OH)
3.5
前驱体；S2：制备电解质材料Li
0.5
La
0.5
...

【专利技术属性】
技术研发人员：伏萍萍，宋英杰，吕菲，徐宁，吴孟涛，
申请(专利权)人：天津巴莫科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：