一种硅铝酸盐锂离子固态电解质及其制备方法技术

本发明专利技术属于固态电解质技术领域，公开了一种硅铝酸盐锂离子固态电解质及其制备方法，硅铝酸盐锂离子固态电解质为锂辉石及衍生体系，化学式为Li1‑

【技术实现步骤摘要】
一种硅铝酸盐锂离子固态电解质及其制备方法


[0001]本专利技术属于固态电解质
，尤其涉及一种硅铝酸盐锂离子固态电解质及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，随着新能源电动汽车的逐渐普及和便携式电子设备的不断发展，人们对于锂离子电池的性能和安全要求也日益增高。传统的锂离子电池作为商业二次电池的代表，其使用的有机液态电解质存在泄露、自燃、甚至是爆炸的安全隐患,是制约新能源产业发展的一个重要因素。电解质作为锂离子电池的重要组成部分，直接影响电池的容量、内阻、倍率充放电性能、工作温度范围、循环寿命及安全性能等性质，性能优异的电解质可以大幅提高锂电池的综合性能。近年来，基于固态电解质的全固态电池备受关注，它能够使用锂金属作为阳极，此外固态电解质还避免了隔膜和有机电解液的使用，极大地提高了二次电池的能量密度和安全性，被看作为新一代储能系统的重要发展方向。
[0003]固态电解质作为全固态电池中极其重要的一部分，目前主要分为三大类：聚合物类电解质、硫化物类和氧化物类电解质。聚合物固态电解质主要由聚合物基底和锂盐构成，其中具有代表性的为聚环氧乙烷(PEO)及其衍生物基聚合物固态电解质，但其室温下电导率仍然较低，成为其大规模商业化的阻碍。硫化物类固态电解质在室温下也具有较高的锂离子电导率，并且其具有良好的机械成型性，非常合适加工为全电池，但硫化物材料容易与空气中的水分发生反应生成有害的H2S气体，电化学稳定性差成为其广泛应用于制作安全性良好的全固态电池的最大阻碍。氧化物类固态电解质有许多优势，包括对空气中水分的低敏感性、能量密度高和电化学稳定性良好等，但其在室温下较低的锂离子电导率阻碍了其广泛应用。因此，研究具有优异的室温下锂离子电导率和出色稳定性的固态电解质对于全固态电池的发展具有重要意义。
[0004]近年来，硅铝酸锂材料体系被认为是锂离子导体，从而有望应用为固态电解质。据报道，锂辉石(β
‑
LiAlSi2O6)呈现各向同性的锂离子电导率、优异的热稳定性和机械稳定性等优点。然而，β
‑
锂辉石表现出相对较低的室温锂离子电导率(小于10
‑
10
S/cm)和高的锂离子扩散势垒(约为0.8eV)，作为固态电解质而言性能不太理想。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)现有聚合物固态电解质和氧化物类固态电解质，在室温下导电率较低。
[0007](2)现有硫化物类固态电解质的硫化物材料容易与空气中的水分发生反应生成有害的H2S气体，电化学稳定性差。
[0008](3)β
‑
LiAlSi2O6材料具有优异的电化学稳定性和热稳定性，但其锂离子电导率相对较低，限制了其进一步应用。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种硅铝酸盐锂离子固态电解质及其制
备方法。
[0010]本专利技术是这样实现的，一种硅铝酸盐锂离子固态电解质，所述硅铝酸盐锂离子固态电解质为锂辉石及衍生体系，化学式为：Li1‑
x
Al1‑
x
Si
2+x
O6；其中，x取值范围为
‑
1.00～0.5且x≠0。
[0011]进一步，x取值为
‑
1.00，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li2Al2SiO6。
[0012]进一步，x取值为
‑
0.75，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
1.75
Al
1.75
Si
1.25
O6。
[0013]进一步，x取值为
‑
0.5，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
1.5
Al
1.5
Si
1.5
O6。
[0014]进一步，x取值为
‑
0.25，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
1.25
Al
1.25
Si
1.75
O6。
[0015]进一步，x取值为0.25，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
0.75
Al
0.75
Si
2.25
O6。
[0016]进一步，x取值为0.5，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
0.5
Al
0.5
Si
2.5
O6。
[0017]进一步，对Al或者Si进行同族元素替代，Al可用B或Ga或In或Ta取代，Si可用C或Ge或Sn或Pb取代，则可获得固态电解质Li1‑
x
A1‑
x
B
2+x
O6，A＝B,Al,Ga,In,Ta；B＝C,Si,Ge,Sn,Pb。
[0018]本专利技术另一目的在于提供一种一次锂离子电池固态电解质，所述一次锂离子电池固态电解质由所述的硅铝酸盐锂离子固态电解质制作而成。
[0019]本专利技术另一目的在于提供一种二次锂离子电池固态电解质，所述二次锂离子电池固态电解质由所述的硅铝酸盐锂离子固态电解质制作而成。
[0020]本专利技术另一目的在于提供一种所述的硅铝酸盐锂离子固态电解质的制备方法，所述硅铝酸盐锂离子固态电解质的制备方法包括：对原始的LiAlSi2O6中Al与Si元素含量进行替换，确定Al与Si元素含量的配比，获得的硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li1‑
x
Al1‑
x
Si
2+x
O6，x＝0.5、0.25、
‑
0.25、
‑
0.5、
‑
0.75或
‑
1.00。
[0021]结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0022]第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本专利技术的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本专利技术技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0023]本专利技术基于第一性原理和从头算分子动力学，对β
‑
LiAlSi2O6材料中Al元素和Si元素的不同含量比对其锂离子电导率性质产生的影响进行分析。在能源领域中，本专利技术能够用作锂离子电池固态电解质，电池包括一次电池和二次电池。
[0024]本专利技术的目的在于通过调节β
‑
LiAlSi2O6材料中Al/Si元素的含量比，提高其锂离子的电导率。为分析Al/Si元素含量的最佳配比，本专利技术对原始的β
‑
LiAlSi2O6中Al与Si元素之间互相替换，从而构建了一种材料体系，即Li1‑
x
Al1‑
x
Si
2+x
O6(x＝0.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅铝酸盐锂离子固态电解质，其特征在于，所述硅铝酸盐锂离子固态电解质为锂辉石及衍生体系，化学式为：Li1‑
x
Al1‑
x
Si
2+x
O6；其中，x取值范围为
‑
1.00～0.5且x≠0。2.如权利要求1所述的硅铝酸盐锂离子固态电解质，其特征在于，x取值为
‑
1.00，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li2Al2SiO6。3.如权利要求1所述的硅铝酸盐锂离子固态电解质，其特征在于，x取值为
‑
0.75，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
1.75
Al
1.75
Si
1.25
O6。4.如权利要求1所述的硅铝酸盐锂离子固态电解质，其特征在于，x取值为
‑
0.5，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
1.5
Al
1.5
Si
1.5
O6。5.如权利要求1所述的硅铝酸盐锂离子固态电解质，其特征在于，x取值为
‑
0.25，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
1.25
Al
1.25
Si
1.75
O6。6.如权利要求1所述的硅铝酸盐锂离子固态电解质，其特征在于，x取值为0.25，则硅铝酸盐锂离子固态电解质为Li
0.75
Al
0.75

【专利技术属性】
技术研发人员：吕维强，李文俊，牛英华，钟卓航，唐梦军，万兆，庞亚帅，郑佳懿，张致远，穆罕默德，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：