CN117673454B - 一种复合钠离子固态电解质、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种复合钠离子固态电解质、制备方法及其应用，属于钠离子电池技术领域。本发明首先是以氯化钠、无水氯化钇、氯化锆为原料，经研磨、球磨、烧结制备Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6；再以硫化钠与五硫化二磷为原料，经球磨、烧结制备Na3PS4；最后将两者混合后球磨，从而得到具有高的离子电导率和宽的稳定电化学窗口的复合钠离子固态电解质。本发明首次在固态电解质体系下提出通过球磨合成硫化物与卤化物复合电解质的策略，提出了一种具有普适性的提高固态电解质性能的方法，有利于该复合钠离子固态电解质材料在全固态电池中发挥更好的性能以及匹配高压正极材料，为未来全固态电池实现高能量密度创造了可能性。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池技术领域，具体涉及一种复合钠离子固态电解质、制备方法及其应用，特别是在组装全固态电池中的应用。
背景技术
由于钠相比于锂储量丰厚，钠离子电池目前在储能系统领域发展的各个层次已备受高度关注。然而传统的钠离子液态电池由于有机电解液的使用存在有毒、易燃的问题，且钠枝晶穿透隔膜造成电池内部短路存在易燃易爆等安全性隐患。因此用固态电解质代替传统钠离子电池中的电解液与隔膜，开发安全且性能优异低成本的固态电解质材料已成为当今世界能源领域的重大挑战。
相比于氧化物固态电解质而言，硫化物固态电解质材料由于自身具有更低的杨氏模量、更高的离子电导率以及具备可压缩性，得到了众多研究人员以及商业化应用的广泛关注，被视为未来实现高性能全固态电池最有潜力的固态电解质材料。然而由于硫化物固态电解质自身稳定电压窗口较窄，材料在使用过程中难以匹配高电压正极材料，导致副反应以及自身分解的产生，最终导致循环性能恶化以及无法实现高能量密度的全固态电池。
除此之外，由于硫化物固态电解质致密度较差的问题，在与正极材料共混作为共混正极后在循环过程中，由于正极材料的体积膨胀问题会导致正极材料发生颗粒碎化问题。尤其是在电流密度增加的情况下，循环稳定性更是重中之重。所以如何提高电解质的致密度以及与正极材料的接触也同样重要。
最后，为了解决硫化物固态电解质与高压正极的界面问题，目前提出的解决方法主要是使用卤化物固态电解质作为中间层，抑制硫化物与高压正极接触时副反应的发生。但是由于卤化物自身电导率较低，会影响全固态电池整体的倍率性能。除此之外，使用卤化物作为中间层还会增加卤化物与硫化物的界面层，限制离子传输。所以使用卤化物固态电解质作为界面层只能延缓硫化物与正极界面的副反应，并不能根本的解决问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合钠离子固态电解质、制备方法及其应用，特别是在组装全固态电池中的应用。本发明首次在固态电解质体系下提出通过球磨合成硫化物与卤化物复合钠离子固态电解质的策略，提高固态电解质自身离子电导率与稳定电压窗口以及固态电解质与三元正极材料的界面稳定性。
本发明所述的一种复合钠离子固态电解质的制备方法，其步骤如下：
（1）Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6的合成
① 将氯化钠（NaCl）、无水氯化钇（YCl3）、氯化锆（ZrCl4）以2.25：0.25：0.75的摩尔比例依次加入到研钵中进行研磨10~20min；
② 将2g步骤①研磨后的样品加入到氧化锆球磨罐中，并添加5~15颗、每颗质量3g的氧化锆球，然后在400~600rpm下进行球磨2~6h；
③ 将步骤②得到的球磨粉末装入玻璃管中抽真空后密封，然后将玻璃管在450~550°C下烧结12~24h；
④ 将步骤③的玻璃管冷却至室温，将得到的样品粉末再次使用氧化锆球磨罐进行球磨，球磨条件同步骤②，从而得到Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6；
（2）Na3PS4的合成
① 将总质量1g、摩尔比为3：1的硫化钠（Na2S）与五硫化二磷（P2S5）加入到氧化锆球磨罐中，并添加2~4颗、每颗质量3g的氧化锆球和10~20颗、每颗质量0.4g的氧化锆球，然后在400~600rpm下进行球磨1~2h；
② 将步骤①得到的球磨粉末在玻璃管中压成紧实致密的片状，抽真空后密封；然后将玻璃管在650~800°C下烧结10~18h，冷却至室温后得到Na3PS4；
（3）Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料的合成
将总质量0.2g、质量比为1：0.3~3的Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6与Na3PS4装入到氧化锆球磨罐中，并添加8~12颗、每颗质量0.4g的氧化锆球；然后在300~400rpm下进行球磨0.5~2.0h，从而得到本发明所述的复合钠离子固态电解质，即Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4，最后对复合钠离子固态电解质材料进行表征和组装全固态电池进行电化学测试。
本发明所述的一种复合钠离子固态电解质，其是由上述方法制备得到。
本发明所述的一种复合钠离子固态电解质在组装全固态电池中的应用，其是在Ar气氛围下，在内径为8~15mm的PTFE材质的全固态模具的底部分布均匀的加入混合正极粉末5~10mg，然后在混合正极粉末的上面添加复合钠离子固态电解质粉末70~90mg，再在复合钠离子固态电解质粉末的上面分布均匀的加入负极20~40mg，最后在全固态模具的上下两端施加2~4T的压力并保压固定，从而组装得到全固态电池；混合正极粉末为NaNi0.33Fe0.33Mn0.33O2、复合钠离子固态电解质和碳纳米纤维三种材料以质量比50: 50: 5混合后得到；负极为Na2Sn合金粉末，Na和Sn的摩尔比为2：1。
本发明的有益效果是：
相较于钠离子固态电解质普遍存在的离子电导率低的问题（硫化物~10-4、卤化物~10-5），本发明实现了复合钠离子固态电解质这种高离子电导率（~4*10-4）材料在全固态电池中的应用，且性能优异。本发明的复合钠离子固态电解质材料不仅在离子电导率方面具有优异表现，同时相比于硫化物的稳定电压窗口窄（~1.7-2.6V vs Na/Na+）的问题，本发明所述的复合钠离子固态电解质材料具有宽的稳定电化学窗口（~1.5-4.0V vs Na/Na+），如图6所示，从而可以匹配三元高压正极材料而不发生自身分解。且通过对实施例6实验数据分析，本发明提出的一种具有普适性的提高固态电解质性能的策略，有利于该复合电解质材料在全固态电池中发挥更好的性能以及匹配高压正极材料，为未来全固态电池实现高能量密度创造了可能性。
以上优点主要来源于使用球磨给予能量，图7给出复合钠离子固态电解质材料实现了卤化物包覆硫化物的结构，扩宽了其电压窗口，抑制了匹配三元高压正极之后出现的电解质自分解问题以及与三元高压正极的界面副反应，提高了界面稳定性。并且其高离子电导率也保证了其具有优异的倍率性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案及其制备出来材料的性能，下面给出相关图示。
图1为实施例1制备的Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6（NYZC）的X-射线衍射（XRD）图谱；
图2为实施例2制备的Na3PS4（NPS）的X-射线衍射（XRD）图谱；
图3为实施例3~5制备的Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料（NYZC@NPS）的X-射线衍射（XRD）图谱；
图4为实施例1~5制备的材料使用电化学工作站测试的离子电导率柱形图；
图5为实施例1~3制备的材料的0.1C首圈充放电曲线及库伦效率；
图6为实施例1~3制备的材料的CV曲线；
图7为实施例3制备的材料的HRTEM图像。
图1通过XRD说明制备的材料为NYZC固态电解质为纯相材料，没有杂项的出现；图2通过XRD说明制备的材料为NPS固态电解质为纯相材料，没有杂项的出现；图3说明了从XRD中只有NPS与NYZC的峰说明制备的复合钠离子固态电解质是两相结构，并没有出现没有产生第三相；图4说明了实施例3产物相比于其它实施例具有最高的离子电导率，预计其具有最好的传输性能；图5说明了实施例3产物相比于其它实施例具有最高的库伦效率以及最高的首圈放电容量即最优异的电化学性能，可以实现更高的能量密度；图6说明了实施例3产物具有更宽的电化学窗口，由于扩宽电化学窗口，可以匹配三元高压正极材料；图7说明了实施例3内层为深色NPS固态电解质材料，外层为浅色NYZC固态电解质材料，成功证明实施例3具有卤化物包覆硫化物的结构。
具体实施方式
实施例1：Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6的合成
（1）将氯化钠、无水氯化钇、氯化锆（IV）以2.25：0.25：0.75的摩尔比例依次加入到研钵中进行手动研磨10min；
（2）将2g步骤（1）研磨后的样品加入到45mL氧化锆球磨罐中，并添加10颗、每颗质量3g的氧化锆球，然后在500rpm下进行球磨2h；
（3）将步骤（2）得到的粉末直接装入玻璃管中抽真空后密封，然后玻璃管在500°C下进行烧结24h；
（4）待步骤（3）玻璃管冷却至室温，将得到的样品再次使用氧化锆球磨罐进行球磨，操作条件同步骤（2），得到Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6固态电解质1.8g。
实施例2：Na3PS4的合成
（1）将总质量1g、摩尔比为3：1的硫化钠与五硫化二磷加入到氧化锆球磨罐中，并添加2颗、每颗质量3g的氧化锆球和10颗、每颗质量0.4g的氧化锆球，然后在510rpm下进行球磨1.5h；
（2）将步骤（1）得到的粉末装入玻璃管中压成紧实致密的片状，抽真空后密封；然后将玻璃管在720°C下烧结12h，玻璃管冷却至室温后得到Na3PS4固态电解质0.8g。
实施例3：Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料的合成
（1）将Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6与Na3PS4以1：3的质量比共0.2g装入45mL氧化锆球磨罐中并添加10颗、每颗质量0.4g的氧化锆球；
（2）将步骤（1）装有样品的球磨罐在350rpm的转速下进行球磨0.5h，得到Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料0.15g。
实施例4：Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料的合成：
（1）将Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6与Na3PS4以1：1的质量比共0.2g装入45mL氧化锆球磨罐中并添加10颗、每颗质量0.4g的氧化锆球；
（2）将步骤（1）装有样品的球磨罐在350rpm的转速下进行球磨0.5h，得到Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料0.15g。
实施例5：Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料的合成：
（1）将Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6与Na3PS4以3：1的质量比共0.2g装入45mL氧化锆球磨罐中并添加10颗、每颗质量0.4g的氧化锆球；
（2）将步骤（1）装有样品的球磨罐在350rpm的转速下进行球磨0.5h，得到Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料0.15g。
实施例6：全固态电池的组装
在内径为10mm的PTFE材质的全固态模具的底部分布均匀的加入混合正极粉末5mg，然后在混合正极粉末的上面添加复合钠离子固态电解质粉末80mg，再在复合钠离子固态电解质粉末的上面分布均匀的加入负极粉末30mg，最后在全固态模具的上下两端施加压力并保压固定，从而组装得到全固态电池。以上电池组装过程均在充满Ar气氛围的手套箱中进行。其中，混合正极粉末为NaNi0.33Fe0.33Mn0.33O2、复合钠离子固态电解质和碳纳米纤维三种材料以质量比50: 50: 5混合后得到，复合钠离子固态电解质由实施例3~5合成获得，NaNi0.33Fe0.33Mn0.33O2购买自友研半导体材料有限公司，碳纳米纤维购买自阿拉丁有限公司；负极粉末为Na2Sn合金粉末，Na和Sn的摩尔比为2：1，通过购买获得。
Claims (4)
1.一种复合钠离子固态电解质的制备方法，其特征在于：具体步骤如下，
（1）Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6的合成
① 将氯化钠、无水氯化钇、氯化锆以2.25：0.25：0.75的摩尔比例依次加入到研钵中进行研磨10~20min；
② 将2g步骤①研磨后的样品加入到氧化锆球磨罐中，并添加5~15颗、每颗质量3g的氧化锆球，然后在400~600rpm下进行球磨2~6h；
③ 将步骤②得到的球磨粉末装入玻璃管中抽真空后密封，然后将玻璃管在450~550°C下烧结12~24h；
④ 将步骤③的玻璃管冷却至室温，将得到的样品粉末再次使用氧化锆球磨罐进行球磨，球磨条件同步骤②，从而得到Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6；
（2）Na3PS4的合成
① 将总质量1g、摩尔比为3：1的硫化钠与五硫化二磷加入到氧化锆球磨罐中，并添加2~4颗、每颗质量3g的氧化锆球和10~20颗、每颗质量0.4g的氧化锆球，然后在400~600rpm下进行球磨1~2h；
② 将步骤①得到的球磨粉末在玻璃管中压成紧实致密的片状，抽真空后密封；然后将玻璃管在650~800°C下烧结10~18h，冷却至室温后得到Na3PS4；
（3）Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4复合材料的合成
将总质量0.2g、质量比为1：0.3~3的Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6与Na3PS4装入到氧化锆球磨罐中，并添加8~12颗、每颗质量0.4g的氧化锆球；然后在300~400rpm下进行球磨0.5~2.0h，从而得到所述的复合钠离子固态电解质，即Na2.25Y0.25Zr0.75Cl6@Na3PS4。
2.一种复合钠离子固态电解质，其特征在于：是由权利要求1所述的方法制备得到。
3.一种如权利要求2所述的复合钠离子固态电解质在组装全固态电池中的应用。
4.如权利要求3所述的一种复合钠离子固态电解质在组装全固态电池中的应用，其特征在于：在Ar气氛围下，在内径为8~15mm的PTFE材质的全固态模具的底部分布均匀的加入混合正极粉末5~10mg，然后在混合正极粉末的上面添加复合钠离子固态电解质粉末70~90mg，再在复合钠离子固态电解质粉末的上面分布均匀的加入负极粉末20~40mg，最后在全固态模具的上下两端施加2~4T的压力并保压固定，从而组装得到全固态电池；混合正极粉末为NaNi0.33Fe0.33Mn0.33O2、复合钠离子固态电解质和碳纳米纤维三种材料以质量比50:50: 5混合后得到；负极粉末为Na2Sn合金粉末，Na和Sn的摩尔比为2：1。
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Citations (7)
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| KR20170112033A (ko) * | 2016-03-30 | 2017-10-12 | 울산과학기술원 | 고체 전해질, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 전고체 전지 |
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2024
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|---|
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| 《钠离子无机固体电解质研究进展》;孙菲等;《储能科学与技术》;20201031(第5期);全文 * |
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