一种锂离子固态电解质及其化学组成制造技术

本发明专利技术属于固态电解质技术领域，公开了一种锂离子固态电解质、制备方法及锂离子电池，锂离子固态电解质为锂霞石及衍生体系，化学式为β

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子固态电解质及其化学组成


[0001]本专利技术属于固态电解质
，涉及一种锂离子固态电解质及其化学组成。

技术介绍

[0002]目前，固态锂电池是能量密度高、安全性高的新一代能源存储设备。要发展高性能的固态锂电池，固态电解质作为全固态电池极为重要的一部分，却仍然面临着许多有待解决的问题。其中之一是室温下的离子传导率有待提高。固态锂离子导体是关键部件经过几十年的广泛研究，人们研究了多种固态锂导体，包括LISICON类、银辉石、石榴石、NASION类、氮化锂、氢化物、钙钛矿卤化锂材料等，但是，这些材料仍然难以满足导电性能和稳定性的要求。例如，L LZO，LLZTO，LATP等无机化合物固态电解质，其与电极间的界面阻抗较大，制备、加工成本高，制约了其商业化发展。LISICON
‑
like硫化物材料表现出非常好的锂离子电导率，甚至比商业液体电解质的10mS/cm的电导率更好。然而，硫化物材料对水分很敏感，电化学窗口很窄，这使得它们难以在空气中工作，对高压阴极不稳定。石榴石材料通常表现出良好的稳定性，但其室温下的电导率通常远低于1mS/cm，不能用于高能、高倍率固态电池。因此，新型固态锂离子导体具有高的锂电导率和优越的机械、热、化学和电化学稳定性成为了研究的重点与难点。
[0003]硅基材料是锂导体的潜在候选材料。硅酸盐基材料在地球上广泛存在，结构多样。它们表现出非常好的机械，热，化学和电化学稳定性。近年来，硅酸盐材料作为锂离子导体再次受到人们的关注。例如，合成了β
‑
锂榴石MAlSi2O
6 (M＝Li，Na，K，Rb或Cs)作为碱金属离子导体，其扩散势垒在0.56eV～0.83eV 之间。Mo等人通过从头算分子动力学(AIMD)计算和实验发现，LiTaSiO5、LiAlSiO4和Li2ZnSiO4在室温下可能具有较高的Li电导率结果表明， Li
1.125
Ta
0.875
Zr
0.125
SiO5的扩散势垒理论值为0.21eV，实验值为0.38eV。通过掺杂，可以显著降低Li2ZnSiO4中的Li扩散势垒，如果能大幅度降低硅酸盐材料的扩散势垒，硅酸盐材料将成为极有前途的固态锂离子导体。
[0004]由于硅基材料的广泛应用以及优异的电化学稳定性，因此无需过多关注其稳定性问题，而只需关注如何提高锂离子的电导率即可。特别是从理论和实验两方面去理解Li在硅酸盐材料中的扩散机理，将有助于合理设计扩散势垒显著降低的RT电导率高的硅酸盐基Li导体。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)现有很多固态电解质电解质的锂离子传输的扩散势垒较高，在室温下的离子传导率较低。
[0007](2)固态锂导体材料难以满足导电性能和稳定性的要求。电解质的界面稳定有利于延长全固态锂电池的长循环寿命。目前还没有一种电解质材料既具有高氧化极限又具有低还原极限。其中，无机化合物固态电解质与电极间的界面阻抗较大，制备加工成本高；LISICON
‑
like硫化物材料对水分敏感，电化学窗口窄，难以在空气中工作，对高压阴极不稳定；石榴石材料室温下的电导率远低于1mS/cm，不能用于高能、高倍率固态电池。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种锂离子固态电解质及其化学组成，尤其涉及一种基于β
‑
锂霞石的锂离子固态电解质及其优化组成方法。
[0009]本专利技术是这样实现的，一种锂离子固态电解质，所述锂离子固态电解质为锂霞石及衍生体系，化学式为：β
‑
euryptite Li
1+x
Al
1+x
Si1‑
x
O4；其中，x取值范围为(
‑
0.75～1.00，x≠0)。
[0010]进一步，当x取值为
‑
0.75，则锂离子固态电解质为Li
0.25
Al
0.25
Si
1.75
O4。
[0011]当x取值为
‑
0.50，则锂离子固态电解质为Li
0.5
Al
0.5
Si
1.5
O4。
[0012]当x取值为
‑
0.25，则锂离子固态电解质为Li
0.75
Al
0.75
Si
1.25
O4。
[0013]进一步，当x取值为0.08，则锂离子固态电解质为Li
1.08
Al
1.08
Si
0.92
O4。
[0014]进一步，当x取值为0.25，则锂离子固态电解质为Li
1.25
Al
1.25
Si
0.75
O4。
[0015]进一步，当x取值为0.50，则锂离子固态电解质为Li
1.5
Al
1.5
Si
0.5
O4。
[0016]进一步，当x取值为1.00，则锂离子固态电解质为Li2Al2O4。
[0017]本专利技术的另一目的在于提供一种锂离子电池，所述锂离子电池为一次锂离子电池或二次锂离子电池，所述一次锂离子电池或二次锂离子电池均由所述的锂离子固态电解质制作而成一次锂离子固态电解质，所述一次锂离子固态电解质由所述的锂离子固态电解质制作而成。
[0018]本专利技术的另一目的在于提供一种所述的锂离子固态电解质的制备方法，所述锂离子固态电解质的制备方法包括：
[0019]对原始的LiAlSiO4中Al与Si元素含量进行替换，确定Si与Al元素含量的配比，获得的硅铝酸盐锂离子固态电解质为β
‑
euryptite Li
1+x
Al
1+x
Si1‑
x
O4，x＝1.00、 0.50、0.25、0.08、
‑
0.25、
‑
0.50或
‑
0.75。
[0020]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：
[0021]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：
[0022]本专利技术分析Li
1+x
Al
1+x
Si1‑
x
O4中Li的分子动力学，x在(
‑
0.75～1，x≠0)范围内的不同取值来调节Si/Al比，从而降低li的扩散势垒，提高锂离子的电导率。本专利技术预测的全固态电解质包含以下成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子固态电解质，其特征在于，所述锂离子固态电解质为锂霞石及衍生体系，化学式为：Li
1+x
Al
1+x
Si1‑
x
O4；其中，x取值范围为
‑
0.75～1.00且x≠0。2.如权利要求1所述的锂离子固态电解质，其特征在于，当x取值为
‑
0.75，则锂离子固态电解质为Li
0.25
Al
0.25
Si
1.75
O4。3.如权利要求1所述的锂离子固态电解质，其特征在于，当x取值为
‑
0.50，则锂离子固态电解质为Li
0.5
Al
0.5
Si
1.5
O4。4.如权利要求1所述的锂离子固态电解质，其特征在于，当x取值为
‑
0.25，则锂离子固态电解质为Li
0.75
Al
0.75
Si
1.25
O4。5.如权利要求1所述的锂离子固态电解质，其特征在于，当x取值为0.08，则锂离子固态电解质为Li
1.08
Al
1.08
Si
0.92
O4。6.如权利要求1所述的锂离子固态电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕维强，唐梦军，牛英华，郑佳懿，张致远，刘龙飞，李文俊，万兆，
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：