一类基于锂霞石结构的钠离子固态电解质及其化学组成制造技术

本发明专利技术公开了一类基于钠离子化的β

【技术实现步骤摘要】
一类基于锂霞石结构的钠离子固态电解质及其化学组成


[0001]本专利技术属于钠离子固态电解质
，涉及一类基于锂霞石结构的钠离子固态电解质及其化学组成。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于自身优势(电压高、循环寿命长、高能量密度等)被应用于各种储能领域：电动汽车、电网储能及小型储能等领域等。然而，锂离子电池有着自身缺陷：锂元素资源稀缺、分布不均且成本较高，同时正极材料中使用的Co使得成本进一步提高，这些都极大地限制了锂离子电池大规模应用。钠在地壳中储能丰富且价格低廉，可以降低大规模储能用电池成本，并且钠与锂为同一主族元素，具有相似的电化学性质，使得钠具有非常明显的优势。从成本和增加储能方式的角度考虑，钠离子电池吸引了越来越多研究者的关注。另一方面，不管是锂离子电池还是钠离子电池，主要使用的碳酸酯类等有机溶剂电解液剂都易燃，当电池内部因为短路、过充等原因造成热失控时，有机溶剂会进一步加剧热量的积累，导致爆炸的可能性。另外，固态电解质可进一步提高电池的能量密度。与常规的有机溶剂体系电池相比，固态电池有望满足人们对于电池各个方面的需求。
[0003]基于固体电解质的钠电池体系包括高温钠
‑
硫电池、有机/水混合系钠
‑
空气电池和全固态钠离子电池等。钠离子固态电池中最重要的部分是固体电解质。固体电解质可以分为无机固体电解质和有机固体电解质。有机固体电解质(如聚氧化乙烯PEO)有良好的成膜性，与电解材料的接触性好。然而，有机固体电解质在室温下离子电导率较低，机械强度差，离子迁移数低。无机固体电解质相对于有机固体电解质，通常表现出高的离子电导率，高的离子迁移数，好的机械性能和良好的热稳定性。无机钠离子电池固体电解质材料主要有Na
‑
β
‑
Al2O3、NASICON型、硫化物以及硼氢化物这几类。这几类无机钠离子固态电解质要么合成困难，要么对水或空气敏感不稳定，要么电极/电解质界面兼容性存在问题。因此，发现新型钠离子固态电解质势在必行。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一类基于锂霞石结构衍生的钠离子固态电解质及其化学组成。
[0005]本专利技术是这样实现的，一种基于基于锂霞石结构衍生的钠离子固态电解质，所述钠离子固态电解质由β
‑
锂霞石结构(LiAlSiO4)通过其中的锂离子被钠离子取代而来，化学式为：NaAlSiO4，通过调整Si/Al比，可以衍生为Na
x
Al
x
Si
1+x
O4其中，x取值范围为0～2且x≠0。
[0006]进一步，x取值为0.5，则锂霞石结构钠离子固态电解质为Na
0.5
Al
0.5
Si
1.5
O4。
[0007]进一步，x取值为1，则锂霞石结构钠离子固态电解质为NaAlSiO4。
[0008]进一步，x取值为1.5，则石榴石型质子导体为Na
1.5
Al
1.5
Si
0.5
O4。
[0009]结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术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：
[0010]第一，本专利技术的目的在于通过钠离子化向β
‑
锂霞石结构LiAlSiO4电解质材料中引入钠离子，由于β
‑
锂霞石结构LiAlSiO4材料的锂离子电导率较高，在锂离子迁移走时可以通过钠离子的嵌入获得钠离子化的锂霞石结构的钠离子固态电解质。并通过调节其中Al/Si元素的含量比，提高材料的钠离子的电导率。本专利技术采用了基于密度泛函理论的从头算分子动力学模拟计算方法，分析了β
‑
锂霞石结构Na
x
Al
x
Si
1+x
O4中的钠离子电导率与其化学组成的相关性。在能源领域中，本专利技术能够用作固态钠离子电池的电解质材料。
[0011]由计算模拟结果可知，本专利技术提供的β
‑
锂霞石结构Na
x
Al
x
Si
1+x
O4(x＝0.5,1.0，1.5)晶胞的钠离子的平均均方位移(MSD)随着钠离子含量的提升呈现先增大后减小的趋势，在x＝1时，NaAlSiO4的钠离子扩散系数最高。
[0012]第二，把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本专利技术所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0013](1)由于对具有高锂离子电导率的β
‑
锂霞石结构LiAlSiO4进行钠离子化，钠离子化的β
‑
锂霞石结构Na
x
Al
x
Si
1+x
O4具有较高的钠离子扩散系数，且该类材料未见文献报道。
[0014](2)调整Si/Al的比值得到的一系列钠离子导体材料，且发现了其具有最高钠离子扩散系数时的化学组成NaAlSiO4。
[0015]第三，作为本专利技术的权利要求的创造性辅助证据，还体现在本专利技术的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：提供了一种β
‑
锂霞石结构Na
x
Al
x
Si
1+x
O4钠离子固态电解质的设计方法，其具有高钠离子扩散系数与钠离子电导率，且该类材料成本低廉，具有广阔的市场前景。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本专利技术实施例1
‑
3提供的Na
x
Al
x
Si
1+x
O4(x＝0.5,1.0，1.5)材料体系的晶体结构图。(a)和(d):Na0.5Al0.5Si1.5O4的优化晶胞结构；(b)和(e):的优化晶胞结构；(c)和(f):Na1.5Al1.5Si0.5O4的优化晶胞结构。其中(a
‑
c)为c轴顶视图其中(a
‑
c)为c轴顶视图，(d
‑
f)为侧视图。其中浅色八面体为Si
‑
O八面体结构，深色八面体为Al
‑
O八面体结构。通道中孤立的小球为钠离子。
[0018]图2是本专利技术实施例1提供的NaAlSiO4中(a)钠离子的MSD曲线(b)由MSD曲线获得的钠离子扩散系数(c)钠离子扩散系数与温度的关系，其钠离子扩散势垒为0.10eV；
[0019]图3是本专利技术实施例2提供的Na
0.5
Al
0.5
Si
1.5
O4中(a)钠离子的MSD曲线，(b)由MSD曲线获得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一类基于钠离子取代的锂霞石型钠离子固态电解质，其特征在于，所述石锂霞石型钠离子固态电解质由锂霞石型锂离子固态电解质Li
x
Al
x
Si
1+x
O4进行钠离子化得来，化学式为：Na
x
Al
x
Si
1+x
O4；其中，x取值范围为0～2且x≠0。2.如权利要求1所述的基于质子取代的锂霞石型钠离子固态电解质，其特征在于，x取值为0.5，则锂霞石型钠离子固态...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕维强，牛英华，王嘉琪，方晓东，钟卓杭，唐梦军，
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：