一种改性NASICON型固体电解质及其制备方法与流程

一种改性nasicon型固体电解质及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种改性nasicon型固体电解质及其制备方法。


背景技术：

2.固体电解质又称为快离子导体，广泛应用于储能装置中，如固体氧化物燃料电池和锂离子电池。目前已开发的固态电解质中，nasicon型固态电解质(latp类)由于其高的离子电导率受到广泛的关注。但由于latp中的四价ti
4
在实际电化学过程中，由于其具有高的氧化态，很容易与锂金属发生反应，导致在界面处发生副反应，将ti
4
还原成ti
3
，从而导致ti-o多面体结果发生转换或坍塌，这就导致了li

离子传输受到阻碍，从而造成界面接触阻抗过大，并导致形成大量的锂枝晶。
3.因此，开发一种能够具有优异的界面性能以降低其界面阻抗的固体电解质具有非常重要的意义。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改性nasicon型固体电解质，该固体电解质通过引入lif和mon，从而得到高电导率的固体电解质片，生成的li3n能够有效改善了latp固体电解质与锂金属的界面性能。
5.为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种改性，nasicon型固体电解质，所述固体电解质的制备原料包括形成li
1.3
al
0.3
ti
1.7
(po4)3(latp)的锂源粉末、铝源粉末、钛源粉末和磷源粉末，以及lif和mon；所述lif和mon的总质量百分比为1～15％。
7.在本发明中，mon的加入有利于latp的晶粒和晶界的保护：第一，mon具有很高的锂离子电导率，可以有效提高锂离子的传输。第二，加入的mon在与锂负极接触时可在latp表面原位生成li3n薄层，该li3n可与未完全反应的mon形成离子-电子混合界面层，从而改善latp固体电解质与锂金属的界面性能。，从而可在latp表面生成具有很高离子电导率且对锂金属稳定的li3n薄层，同时未完全反应的mon与li3n在表面混合，形成离子-电子混合界面，可极大改善锂金属与latp固体电解质的界面性能。
8.作为本发明优选的实施方式，该固体电解质还包括有含掺杂元素的化合物；所述掺杂元素包括ta、nb、b、ga、w、mo、gd、la、ca、ba、y、re中的一种或多种元素。
9.作为本发明优选的实施方式，所述锂源粉末为氢氧化锂、铝源粉末为氧化铝、钛源粉末为氧化钛、磷粉为磷酸二氢氨。
10.作为本发明优选的实施方式，氢氧化锂过量5％～40％，优选5％～20％。
11.本发明的目的之二在于提供一种如上所述的改性nasicon型固体电解质的制备方法，其包括以下步骤：
12.s1、按照li
1.3
al0.3ti
1.7
(po4)3中的化学计量比称取锂源粉末、铝源粉末、钛源粉末
和磷源粉末并混匀，加入mon粉末、lif粉末、球磨剂和球磨珠进行球磨，得到混合均匀的混合浆料；
13.s2、对得到的混合浆料进行干燥，得到混合粉末；将混合粉末在300～700℃下烧结4～24h，得到latp固体电解质前驱体粉末；
14.s3、将latp固体电解质前驱体粉末压成片，在700～1100℃下二次烧结，烧结时间为4～36h，即得改性nasicon型固体电解质。
15.作为本发明优选的实施方式，所述步骤s1中所有粉末与球磨剂和球磨珠的质量比为粉末：球磨剂：球磨珠＝1:1～5：4～20。
16.作为本发明优选的实施方式所述步骤s2中球磨的时间为4～48h，优选8～24h；转速为200～1200r/min，优选400～800r/min。
17.作为本发明优选的实施方式，所述球磨剂为乙醇、异丙醇、乙腈、乙醚、石油醚、丙酮中的一种；所述球磨珠为玛瑙珠、氧化锆珠、不锈钢珠、聚氨酯珠中的一种。
18.作为本发明优选的实施方式，所述步骤s2中干燥的干燥温度为50～150℃，优选60～120℃；干燥时间为4～24h，优选6～16h。
19.作为本发明优选的实施方式，所述步骤s3中将latp固体电解质前驱体粉末压制成直径为10～20mm的圆片，优选直径为13～18mm。
20.优选地，所述步骤s2中的烧结温度为300～700℃、烧结时间为6～16h。
21.优选地，所述步骤s3中二次烧结的烧结温度为700～1100℃。
22.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
23.本发明通过向latp固体电解质同时引入lif和具有良好导电性的mon，mon在与锂负极接触时可在latp表面原位生成li3n薄层，该li3n可与未完全反应的mon形成离子-电子混合界面层，从而改善latp固体电解质与锂金属的界面性能。，从而可在latp表面生成具有很高离子电导率且对锂金属稳定的li3n薄层，同时未完全反应的mon与li3n在表面混合，形成离子-电子混合界面，可极大改善锂金属与latp固体电解质的界面性能。另外，mon能够有效提高latp固体电解质的致密度，从而提高其室温电导率。
附图说明
24.图1为本发明实施例1所制得的latp固体电解质片的eis阻抗测试图；
25.图2为本发明实施例2所制得的latp固体电解质片的eis阻抗测试图；
26.图3为本发明实施例3所制得的latp固体电解质片的eis阻抗测试图；
27.图4为本发明实施例3所制得的latp固体电解质片的xrd测试图；
28.图5为本发明对比例1所制得的latp固体电解质片的eis阻抗测试图；
29.图6为本发明对比例1所制得的latp固体电解质片的xrd测试图；
30.图7为本发明应用实施例中实施例3所制得的latp固体电解质片组成的锂对称电池的eis阻抗测试图；
31.图8为本发明应用实施例中对比例1所制得的latp固体电解质片组成的锂对称电池的eis阻抗测试图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
33.一种改性，nasicon型固体电解质，所述固体电解质的制备原料包括形成latp的锂源粉末、铝源粉末、钛源粉末和磷源粉末，以及lif和mon；其中，所述lif和mon的总质量百分比为1～15％，优选1～5％。优选地，所述锂源粉末为氢氧化锂、铝源粉末为氧化铝、钛源粉末为氧化钛、磷源粉末为磷酸二氢氨，其中，氢氧化锂的质量百分比为5％～40％，优选5％～20％。
34.该固体电解质还可以包括有含掺杂元素的化合物；所述掺杂元素包括ta、nb、b、ga、w、mo、gd、la、ca、ba、y、re中的一种或多种元素。
35.如上所述的改性nasicon型固体电解质的制备方法包括以下步骤：
36.s1、按照li
1.3
al
0.3
ti
1.7
(po4)3中的化学计量比称取锂源粉末、铝源粉末、钛源粉末和磷源粉末并混匀，加入mon粉末、lif粉末、球磨剂和球磨珠进行球磨，得到混合均匀的混合浆料；按粉末：球磨剂：球磨珠＝1:1～5：4～20的质量比加入球磨剂和球磨珠，以200～1200r/min的转速进行球磨4～48h，得到混合均匀的混合浆料；其中，球磨剂为乙醇、异丙醇、乙腈、乙醚、石油醚、丙酮中的一种；球磨珠为玛瑙珠、氧化锆珠、不锈钢珠、聚氨酯珠中的一种；
37.s2、对得到的混合浆料进行干燥，得到混合粉末；将混合粉末在300～700℃下烧结4～24h，得到latp固体电解质前驱体粉末；
38.s3、将latp固体电解质前驱体粉末压成片，在700～1100℃下二次烧结，烧结时间为4～36h，即得改性nasicon型固体电解质。
39.s4、将得到的改性latp固体电解质进行打磨抛光，之后进行eis阻抗，xrd和锂对称等测试。
40.实施例1
41.s1、按化学计量比li
1.3
al
0.3
ti
1.7
(po4)3，分别称取0.6006g氢氧化锂、0.153g氧化铝、1.36g氧化钛和2.97g磷酸二氢氨放置于玛瑙球磨罐中，加入1％的mon和1％lif，之后加入15g球磨剂异丙醇，在转速为350r/min下球磨24h，得到混合均匀的混合浆料。
42.s2、将混合浆料至于60℃烘箱中干燥15h，得到干燥的混合粉末；将混合粉末在350℃下烧结12h，得到latp固体电解质前驱体粉末。
43.s3、将latp固体电解质前驱体粉末压制组成直径为φ15mm的圆片，在700℃下烧结12h，得到latp固体电解质片。
44.s4、打磨抛光后测试其交流阻抗，其结果如图1所示，由图可知，计算其锂离子电导率为1.6
×
10-4
s/cm。
45.实施例2
46.s1、按化学计量比li
1.3
al
0.3
ti
1.7
(po4)3，分别称取0.9009g氢氧化锂、0.2295g氧化铝、2.04g氧化钛和4.455g磷酸二氢氨放置于玛瑙球磨罐中，加入2％mon和1％lif，之后加入35g球磨剂异丙醇，在转速为450r/min下球磨12h，得到混合均匀的混合浆料。
47.s2、将混合浆料至于80℃烘箱中干燥8h，得到干燥的混合粉末；将混合粉末在450℃下烧结8h，得到latp固体电解质前驱体粉末。
48.s3、将latp固体电解质前驱体粉末压制组成直径为φ15mm的圆片，在750℃下烧结
12h，得到latp固体电解质片。
49.s4、打磨抛光后测试其交流阻抗，其结果如图2所示，由图可知，计算其锂离子电导率为2.2
×
10-4
s/cm.
50.实施例3
51.s1、按化学计量比li
1.3
al
0.3
ti
1.7
(po4)3，分别称取1.8018g氢氧化锂、0.459g氧化铝、4.08g氧化钛和8.91g磷酸二氢氨放置于玛瑙球磨罐中，加入3％mon和2％lif，之后加入60g球磨剂异丙醇，在转速为6000r/min下球磨16h，得到混合均匀的混合浆料。
52.s2、将混合浆料至于70℃烘箱中干燥10h，得到干燥的混合粉末；将混合粉末在500℃下烧结10h，得到latp固体电解质前驱体粉末。
53.s3、将latp固体电解质前驱体粉末压制组成直径为φ15mm的圆片，在850℃下烧结12h，得到latp固体电解质片。
54.s4、打磨抛光后测试其交流阻抗和xrd，计算电导率，结果如图3和图4所示。由图3可知，计算其锂离子电导率为3.4
×
10-4
s/cm。
55.由图4可知，制备的latp固体电解质片的xrd衍射峰尖锐，说明制备的latp固体电解质片结晶度良好，同时并未观察到杂质峰，所以衍射峰均属于latp，说明本实施例制备的固体电解质为纯相latp。
56.对比例1
57.s1、按化学计量比li
1.3
al
0.3
ti
1.7
(po4)3，分别称取1.8018g氢氧化锂、0.459g氧化铝、4.08g氧化钛和8.91g磷酸二氢氨放置于玛瑙球磨罐中，之后加入60g球磨剂异丙醇，在转速为6000r/min下球磨16h，得到混合均匀的混合浆料。
58.s2、将混合浆料至于70℃烘箱中干燥10h，得到干燥的混合粉末；将混合粉末在500℃下烧结10h，得到latp固体电解质前驱体粉末。
59.s3、将latp固体电解质前驱体粉末压制组成直径为φ15mm的圆片，在850℃下烧结12h，得到latp固体电解质片。
60.s4、打磨抛光后测试其交流阻抗和xrd，计算电导率，结果如图5和图6所示。
61.由图5可知，计算其锂离子电导率为0.8
×
10-4
s/cm。
62.由图6可知，制备的latp固体电解质片的xrd衍射峰尖锐，说明制备的latp固体电解质片结晶度良好，同时并未观察到杂质峰，所以衍射峰均属于latp，说明本对比例制备的固体电解质为纯相latp。
63.通过实施例1～3和对比例1的电导率进行对比可知，mon和lif的添加可以有效提高latp的锂离子电导率，且在一定范围内，其电导率随着mon和lif含量的增加而提高。
64.应用实施例
65.将实施例3和对比例1中得到的latp固态电解质片组装成锂对称电池，测试其在0.1ma/cm2下的锂对称电池循环性能，其结果如图7和图8所示，
66.如图7可知，通过加入5％mon和2.5％lif的latp固体电解质的锂对称电池可以在0.1ma/cm2的电流密度下可稳定循环100h，表现出非常好的界面性能。
67.而对比例1未改性的latp其界面性能如图8所示，其在循环首圈就出现短路现象，其原因是界面阻抗太大所导致。
68.由上述内容可见，本发明通过向latp固体电解质同时引入lif和具有良好导电性
的mon，不仅提高了latp固体电解质的电导率，同时可极大改善锂金属与latp固体电解质的界面性能。
69.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。