CN102780030B - 一种四组份阴阳离子共掺杂石榴石型固体电解质 - Google Patents

一种四组份阴阳离子共掺杂石榴石型固体电解质 Download PDF

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Abstract

一种N2+，N＝Ca，Mg，Al3+，Si4+阳离子及S2-阴离子共掺杂的，石榴石型锂离子固体电解质，其特征在于化学计量式为Li5+x+2y+zLa3-xNxAlySizM2-y-zO12-mSm，N＝Ca，Mg，M＝Nb，Ta，其中：x＝0.1-0.5；y＝0.1-0.2；z＝0.1-0.2；m＝0.1-0.3；将Li2CO3∶La2O3∶NO(Ca，Mg)∶Al2O3∶SiO2∶M2O5(M＝Nb，Ta)∶硫脲为2.7-3.05∶1.25-1.45∶0.1-0.5∶0.05-0.1∶0.1-0.2∶0.8-0.9∶0.1-0.3(摩尔比)的比例均匀混合，经过球磨、压制、烧结而成；能够获得大于10-4S/cm的室温锂离子电导率。

Description

一种四组份阴阳离子共掺杂石榴石型固体电解质
技术领域
本发明涉及一种固体锂离子电解质制造领域。
背景技术
锂离子电池具有体积、重量能量比高、电压高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长、功率密度高等绝对优点，在全球移动电源市场拥有逾300亿美元/年份额并远超过其他电池的市场占有率，是最具有市场发展前景的化学电源[吴宇平，万春荣，姜长印，锂离子二次电池，北京：化学工业出版社，2002.]。目前国内外锂离子二次电池大部分采用的是液态电解质，液态锂离子电池具有一些不利因素，如：液态有机电解质可能泄露，在过高的温度下发生爆炸从而造成安全事故，无法应用在一些对安全性要求高的场合；液态电解质锂离子电池普遍存在循环容量衰减问题，使用一段时间后由于电极活性物质在电解质中的溶解、反应而逐步失效[Z.R.Zhang，Z.L.Gong，and Y.Yang，J.Phys.Chem.B，108，2004，17546.]。而全固态电池安全性高、基本没有循环容量衰减，固体电解质还起到了隔膜的作用，简化了电池的结构；此外，由于无需隔绝空气，也简化了生产过程中对设备的要求，电池的外形设计也更加方便、灵活[温兆银，朱修剑，许晓雄等，全固态二次电池的研究，第十二届中国固态离子学学术会议论文集，2004。]。
全固态锂离子电池中，载流子在固态电解质中的迁移速率往往远远小于电极表面的电荷转移及正极材料中的离子扩散速率而成为整个电极反应动力学中的速率控制步骤，因此研制具有较高锂离子电导率的无机固态电解质是构建高性能锂离子电池的核心关键所在。另外要研发具有实用意义的固体锂离子电解质，同时要求其能够在环境中具有良好的稳定性(对二氧化碳和水分稳定)，为了使组成的全固态电池能够使用金属锂作为负极而具有高的能量密度，也希望固态电解质能对金属锂稳定并具有较高的分解电压。从目前已有报导的锂离子固态电解质来看：LLTO(Li，La)TiO3固态电解质具有很高的晶内电导率(在10-3S/cm左右)及比较高的常温总电导率(10-4S/cm-10-5S/cm)，但是LLTO分解电压低，无法构成放电电压3.7V以上全固态电池并且对金属锂负极不稳定；具有NASICON型多晶的LiM2(PO4)3(M＝Ti，Ge，Zr)是由四面体PO4和八面体MO6共同组成的网架结构，产生了结构上的空穴及可填充的配位，使得可以调控大量的Li离子，是一种很有前途的高锂离子电导率固态电解质。通过异价离子的取代，在结构中引入空穴或填隙锂离子可进一步提高离子导电性[Xiaoxiong Xu，Zhaoyin Wen，ZhonghuaGu，et al.，Solid State Ionics，171，2004，207-212.]。如林祖纕、李世椿等[林祖纕，李世椿，硅酸盐学报，9(3)，1981，253-257.]发现的Li1+xTi2-xGaxP3O12，Li1+2xTi2-xMgxP3O12，Li1+xGe2-xCrxP3O12，Li1+xGe2-xAlxP3O12，Li1+xTi2-xInxP3O12等体系或其他如Li1+2x+2yAlxMgyTi2-x-ySixP3-xO12，Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12，Li1+xAlxTi2-xP3O12等体系均具有较高的锂离子电导率。但这些体系的常温锂离子电导率通常在10-4S/cm-10-6S/cm之间，还不能很好满足非薄膜锂离子电池对电解质电导率的要求。另外NASICON体系同样对金属锂负极不稳定。W.Weppner等在2003年提出了一种新的石榴石结构的固体电解质Li5La3M2O12(M＝Nb，Ta)(Thangadurai，V.，H.Kaack，et al.，Journal of the American Ceramic Society，86(3)2003，437-440.)，这种固体电解质对金属锂负极甚至是熔融金属锂都非常稳定，是全固态锂离子电池极具有应用价值的固态电解质。然而纯Li5La3M2O12(M＝Nb，Ta)的常温电导率只有10-6S/cm左右。W.Weppner等在2006年又报道了K+，In3+单离子掺杂的Li5La3M2O12(M＝Nb，Ta)(Thangadurai，V.and W.Weppner，Journal of Solid State Chemistry 179(4)，2006，974-984.)。将常温离子电导率提高到了10-5S/cm数量级。但是还不能很好满足非薄膜锂离子电池对电解质电导率的要求。
离子掺杂是提高固态锂离子电解质电导率一种非常有效的方式，但是掺杂离子与基体的相互作用非常复杂，掺杂离子的大小、电子结构、电负性等特性都对母体的离子导电能力有很大影响，而且不同的掺杂离子之间会有互相作用，是促进锂离子迁移还是抑制锂离子迁移以及促进和抑制的程度都会随着掺入的离子种类及浓度有非常大的差异。原则上掺杂离子的选择应尽量满足传输瓶颈与Li+半径大小匹配，Li+与骨架离子键合力弱、空位浓度与Li+浓度的比例适中三个条件。该石榴石型固体电解质的锂离子迁移机理也尚未完全被研究人员弄清楚。因此进一步研究掺杂离子的种类及含量对开发高锂离子电导率的石榴石型固态电解质有着很重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有背景技术而提供的一种N2+，N＝Ca，Mg，Al3+，Si4+阳离子及S2-阴离子共掺杂的石榴石型锂离子固体电解质Li5La3M2O12，M＝Nb，Ta。首先通过N2+取代La3+，Al3+，Si4+取代M5+的方式低价离子取代高价离子产生额外的填隙锂离子，增加晶格中迁移锂离子的数量；同时N2+的离子半径小于La3+，Al3+，Si4+离子半径小于M5+离子半径，两者的协同作用使得La-O八面体和M-O八面体产生一定的收缩畸变，适度扩张锂离子的迁移通道截面，从而提高锂离子电导率；S2-部分取代O2-，S2-虽然比O2-大，可能减小锂离子迁移通道面积，但S2-电负性小，对间隙锂离子作用力弱，总体上起到促进锂离子迁移的作用。这些协同作用使得该固体电解质的常温离子电导率超过10-4S/cm，更加接近液态电解质的离子电导率。
本发明通过如下的技术方案达到，该技术方案提供一种锂离子电导率超过10-4S/cm的锂离子固体电解质，其化学计量式为Li5+x+2y+zLa3-xNxAlySizM2-y-zO12-mSm，N＝Ca，Mg，M＝Nb，Ta其中：x＝0.1-0.5；y＝0.1-0.2；z＝0.1-0.2；m＝0.1-0.3。
在该技术方案中，将Li2CO3∶La2O3∶NO(Ca，Mg)∶Al2O3∶SiO2∶M2O5(M＝Nb，Ta)∶硫脲为2.7-3.05∶1.25-1.45∶0.1-0.5∶0.05-0.1∶0.1-0.2∶0.8-0.9∶0.1-0.3(摩尔比)的比例均匀混合，加入5％-9％的95％乙醇，在球磨机中以100-400转/分钟的转速球磨10-30小时，球磨结束后在60℃-80℃真空烘箱(真空度在10Pa-100Pa)中干燥10-30小时，取出后在玛瑙碾钵中重新研磨10-30分钟，研磨后的粉体以5-10℃/分钟的速率升温到200-280℃保温2-8小时，而后以2-10℃/分钟的速率升温到700-800℃保温5-20小时，而后以2-10℃/分钟的速率升温到900-1000℃保温10-20小时制成固态电解质粉体。该粉体混合1-5wt％为结合剂(该结合剂为PVC或PVA)在压力机下以200-500MPa的压强下保持压力2-6分钟形成薄片，该薄片在氮气气氛下以10-30℃/分钟的速率升温到900-1100℃保温3-10小时制成锂离子固体电解质薄片。如图1是组成为Li5.4La2.9Ca0.1Al0.1Si0.1Ta1.8O11.9S0.1固态电解质薄片在电化学工作站下交流阻抗图，从图中计算出电导率为8.9x10-4S/cm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用N2+，N＝Ca，Mg，Al3+，Si4+阳离子及S2-阴离子共掺杂的石榴石型锂离子固体电解质Li5La3M2O12，M＝Nb，Ta。通过N2+取代La3+，Al3+，Si4+取代M5+的方式低价离子取代高价离子产生额外的填隙锂离子，增加晶格中迁移锂离子的数量；同时N2+的离子半径小于La3+，Al3+，Si4+离子半径小于M5+离子半径，两者的协同作用使得La-O八面体和M-O八面体产生一定的收缩畸变，适度扩张锂离子的迁移通道截面；通过S2-部分取代O2-降低对间隙锂离子作用力。这些协同作用较大地提高了该石榴石型固体锂离子电解质的电导率，非常有利于全固态锂离子电池的构建。
附图说明
图1为锂离子固体电解质薄片在电化学工作站下的交流阻抗图、频率-阻抗及频率-相位图。
具体实施方式
以下结合实施实例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：将Li2CO3∶La2O3∶CaO∶Al2O3∶SiO2∶Ta2O5∶硫脲为2.765∶1.4∶0.2∶0.05∶0.13∶0.885∶0.11(摩尔比)的比例均匀混合，加入5.5％的95％乙醇，在球磨机中以110转/分钟的转速球磨10小时，球磨结束后在60℃真空烘箱(真空度20Pa)中干燥10小时，取出后在玛瑙碾钵中重新研磨30分钟，研磨后的粉体以5℃/分钟的速率升温到200℃保温3小时，而后以7℃/分钟的速率升温到720℃保温13小时，而后以3℃/分钟的速率升温到900℃保温11小时制成固态电解质粉体。该粉体混合2wt％结合剂PVC在压力机下以250MPa的压强下保持压力5分钟形成薄片，该薄片在氮气气氛下以11℃/分钟的速率升温到950℃保温3小时制成锂离子固体电解质薄片。
实施例2：将Li2CO3∶La2O3∶CaO∶Al2O3∶SiO2∶Nb2O5∶硫脲为2.95∶1.3∶0.4∶0.08∶0.18∶0.83∶0.16(摩尔比)的比例均匀混合，加入9％的95％乙醇，在球磨机中以380转/分钟的转速球磨14小时，球磨结束后在80℃真空烘箱(真空度95Pa)中干燥30小时，取出后在玛瑙碾钵中重新研磨30分钟，研磨后的粉体以8℃/分钟的速率升温到220℃保温6小时，而后以3℃/分钟的速率升温到780℃保温10小时，而后以7℃/分钟的速率升温到950℃保温15小时制成固态电解质粉体。该粉体混合5wt％结合剂PVC在压力机下以450MPa的压强下保持压力2分钟形成薄片，该薄片在氮气气氛下以25℃/分钟的速率升温到1000℃保温10小时制成锂离子固体电解质薄片。
实施例3：将Li2CO3∶La2O3∶MgO∶Al2O3∶SiO2∶Nb2O5∶硫脲为2.7∶1.45∶0.1∶0.05∶0.1∶0.9∶0.20(摩尔比)的比例均匀混合，加入5％的95％乙醇，在球磨机中以300转/分钟的转速球磨28小时，球磨结束后在75℃真空烘箱(真空度50Pa)中干燥20小时，取出后在玛瑙碾钵中重新研磨20分钟，研磨后的粉体以10℃/分钟的速率升温到280℃保温7小时，而后以10℃/分钟的速率升温到800℃保温6小时，而后以10℃/分钟的速率升温到1000℃保温20小时制成固态电解质粉体。该粉体混合1wt％结合剂PVA在压力机下以400MPa的压强下保持压力6分钟形成薄片，该薄片在氮气气氛下以15℃/分钟的速率升温到1100℃保温7小时制成锂离子固体电解质薄片。
实施例4：将Li2CO3∶La2O3∶MgO∶Al2O3∶SiO2∶Ta2O5∶硫脲为2.98∶1.25∶0.5∶0.07∶0.18∶0.84∶0.18(摩尔比)的比例均匀混合，加入8％的95％乙醇，在球磨机中以380转/分钟的转速球磨25小时，球磨结束后在70℃真空烘箱(真空度50Pa)中干燥20小时，取出后在玛瑙碾钵中重新研磨10分钟，研磨后的粉体以8℃/分钟的速率升温到250℃保温6小时，而后以8℃/分钟的速率升温到750℃保温10小时，而后以9℃/分钟的速率升温到950℃保温15小时制成固态电解质粉体。该粉体混合2.6wt％结合剂PVA在压力机下以400MPa的压强下保持压力4分钟形成薄片，该薄片在氮气气氛下以25℃/分钟的速率升温到900℃保温5小时制成锂离子固体电解质薄片。
实施例5：将Li2CO3∶La2O3∶CaO∶Al2O3∶SiO2∶Ta2O5∶硫脲为2.925∶1.35∶0.3∶0.1∶0.15∶0.825∶0.15(摩尔比)的比例均匀混合，加入7％的95％乙醇，在球磨机中以300转/分钟的转速球磨30小时，球磨结束后在75℃真空烘箱(真空度60Pa)中干燥25小时，取出后在玛瑙碾钵中重新研磨26分钟，研磨后的粉体以7℃/分钟的速率升温到260℃保温6小时，而后以9℃/分钟的速率710℃保温15小时，而后以7℃/分钟的速率升温到1000℃保温20小时制成固态电解质粉体。该粉体混合2.6wt％结合剂PVC在压力机下以500MPa的压强下保持压力4分钟形成薄片，该薄片在氮气气氛下以30℃/分钟的速率升温到900℃保温5小时制成锂离子固体电解质薄片。

Claims (2)

1.一种N2+、Al3+、Si4+阳离子及S2-阴离子共掺杂的石榴石型锂离子固体电解质，其中N2+＝Ca2+或Mg2+，其特征在于化学计量式为Li5+x+2y+zLa3-xNxAlySizM2-y-zO12-mSm，N＝Ca或Mg，M＝Nb或Ta，其中：x＝0.1-0.5；y＝0.1-0.2；z＝0.1-0.2；m＝0.1-0.3；采用如下方法制备得到：将Li2CO3∶La2O3∶NO∶Al2O3∶SiO2∶M2O5∶硫脲以2.7-3.05∶1.25-1.45∶0.1-0.5∶0.05-0.1∶0.1-0.2∶0.8-0.9∶0.1-0.3的摩尔比均匀混合，其中N＝Ca或Mg，M＝Nb或Ta，加入5％-9％的95％乙醇，在球磨机中以100-400转/分钟的转速球磨10-30小时。
2.根据权利要求1所述的石榴石型锂离子固体电解质，其特征在于制得的固体电解质薄片的常温锂离子电导率大于10-4S/cm。
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