[发明专利]一种锑掺杂的类石榴石结构的锂离子晶态固体电解质材料及其合成方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种锂离子晶态陶瓷固体电解质材料及其合成方法，特别涉及一种锑掺杂的类石榴石结构的锂离子晶态固体电解质材料及其合成方法。

背景技术：

近年来随着个人电脑，手机等便携式设备的迅速发展，更重要的是将来电能驱动机车，风能以及太阳能储能的迫切需求，对锂离子电池作为一种储能装置的要求显著提高。然而，目前的锂离子电池普遍使用有机溶剂和其他离子液体电解质材料。尽管这些电解质材料的锂离子电导率高，但存在诸多的安全隐患，如电解质存在着漏液，着火，甚至爆炸等可能，严重时会危及人身安全。近年来经常出现的手机电池爆炸的新闻报道即是由液体电解质的上述缺点造成的。

从锂离子电池的长期稳定使用，以及人身和财产安全考虑，用固体电解质取代液体电解质，并且电池所有其他部分都是固态材料的全固态锂离子电池是未来锂离子电池的重要发展方向之一。如果作为锂离子导体的电解质采用一种固态的陶瓷材料，则可以有效地克服液体电解质的漏液，着火，爆炸等安全问题。

目前，对于这种固体电解质材料的研究已经取得了一定的进展。2007年德国Werner Weppner课题组首次报道了一种高锂离子电导和低电子电导并且具有良好电化学稳定性，热稳定性的石榴石结构的锂离子导体Li₇La₃Zr₂O₁₂(R.Murugan，V.Thangadurai，W.Weppner，_Angew.Chem.2007，119，7925-7928)。之后众多研究者对Li₇La₃Zr₂O₁₂体系进行了大量研究。迄今为止，这些研究主要是通过异价态元素在La和Zr的位置掺杂和取代，合成了一系列的新型化合物，从而调整晶格常数，锂离子通道大小以及晶体结构，改变锂离子空位浓度和载流子浓度，试图提高锂离子电导率，例如单掺杂体系Li₆La₃ZrMO₁₂(M＝Nb，Ta)、Li₆La₃MO₁₂(M＝Nb，Ta，Bi，Sn，Sb)，及双掺杂体系Li₆ALa₂ZrMO₁₂(A＝Ca，Sr，Ba；M＝Nb，Ta)。从总体上看，以锆酸镧锂为母体，通过掺杂和取代是提高这种固体电解质材料的锂离子电导率的有效途径。该体系目前锂离子电导率处于10^-5～10^-4S/cm水平，有待进一步研究其他的掺杂体系以进一步提高锂离子电导率。

目前的大多数掺杂体系的化合物的制备过程复杂，实验周期长，烧结温度高，烧结时间长。例如需要在有机介质条件下研磨长达约12小时，样品片烧结温度高达1230℃，烧结长达36小时。Y.X.Gao等用Sol-Gol法合成了Li₅La₃Bi₂O₁₂，液相法合成温度相对较低，时间较短，但相对于固相法而言工艺路线加长，合成周期长。这种复杂的工艺过程大大延缓这类锂离子固体电解质的应用进程。

发明内容：

本发明提供了一种锑掺杂的类石榴石结构的锂离子晶态陶瓷固体电解质材料，其特征在于：所述的晶态陶瓷固体电解质材料，具有部分锑掺杂Li₇La₃Zr₂O₁₂中的锆位置的类石榴石结构，所述陶瓷固体电解质材料的化学式Li_7-xLa₃Zr_2-xSb_xO₁₂，其中0＜x≤0.5，并优选0.1≤x≤0.5。

本发明还提供了上述的锑掺杂的类石榴石结构的锂离子晶态陶瓷固体电解质材料的合成方法，其特征在于：使用固相合成法，所述固相合成方法按照如下步骤进行：

(1)原料粉体的准备：使用氧化镧La₂O₃、碳酸锂Li₂CO₃、氧化锆ZrO₂、和三氧化二锑Sb₂O₃粉料作为原料粉体，并对原料粉体作如下处理：