[发明专利]一种柔性锂镧钛氧陶瓷纳米纤维膜材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种柔性锂镧钛氧陶瓷纳米纤维膜，其特征在于，其制备方法包括：配置由锂源、镧源、钛源、高分子聚合物和易挥发性有机溶剂组成的前驱体溶液，静电纺丝形成纳米纤维膜，在空气气氛下煅烧，所述的锂源、镧源、钛源的摩尔比为3X∶(2/3‑X)∶1，其中，0.04≤X≤0.17。本发明的柔性陶瓷纳米纤维膜既可以作为固体电解质而应用于全固态金属锂电池领域，又可以用作金属锂电极的保护膜而应用于液态金属锂电池领域。

技术领域

本发明属于新能源材料与技术领域，涉及一种柔性锂镧钛氧(Li_3xLa_3/2-xTiO₃)陶瓷纳米纤维膜及其制备方法，可用于固态金属锂电池及液态金属锂电池领域。

背景技术

近年来，金属锂由于具有较高的理论容量(3840mA h g^-1)、最低的电化学势(-3.04V vs标准氢电极)和优异的导电性，受到科学界和工业界的广泛关注，并成为一种极具有潜力的锂电池电极材料。然而，在液态电池充放电过程中，Li⁺沉积不均匀，在金属锂电极上产生大量锂枝晶。一方面，枝晶生长容易刺穿隔膜造成电池短路；另一方面，枝晶脱落则导致电极表面出现坑穴而产生“死”锂，致使电池快速失效。另外，金属锂由于化学性能活泼，易与电解液发生副反应，造成电池容量损失。因此，保护金属锂电极并抑制锂枝晶生长是金属锂电池领域的一个研究热点。

为了保护金属锂电极，提高金属锂电池的安全性、库伦效率和循环寿命，文献中提出了多种解决方案，包括使用电解液添加剂、人工SEI膜或三维集流体等。Q.Liu(Adv.Mater.2015，27，5241)、Y.Cui(J.Am.Chem.Soc.2017，139，4815)等通过加入电解液添加剂与锂反应形成SEI膜保护金属锂电极。X.Wang(Nat.Energy，2018，227，235)等通过使用软基材料失稳，释放锂离子沉积的压应力来减缓锂枝晶生长。Y.Cui(Nano Lett.2015，15，2740)和曹珍珠(CN201210067219.4)制备了固体电解质材料来抑制锂枝晶生长，前者通过在聚丙烯腈(PAN)中掺杂无机纳米线合成复合固态电解质，后者通过高温固相法合成了锑掺杂的Li_7-xLa₃Zr_2-xSb_xO₁₂(0＜x≤0.5)颗粒状陶瓷固体电解质。这些方法提供了一些解决锂枝晶的新思路，但在保护金属锂电极时仍然面临很多问题。比如SEI膜无法承受锂枝晶的生长和体积变化，在循环过程中不断的断裂和修复，导致电池的库伦效率和寿命降低；现有的陶瓷固体电解质制备工艺复杂、能耗较大，并且陶瓷电解质与电极界面相容性较差。因此，为实现金属锂电极的实际应用，仍需提出有效的方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是制备柔性锂镧钛氧(Li_3xLa_2/3-xTiO₃(LLTO)，0.04≤x≤0.17)陶瓷纳米纤维膜，可直接用作固体电解质；另一方面，通过LLTO陶瓷纳米纤维膜在金属锂电极表面自组装形成混合离子电子导体界面，用作液态金属锂电池中的金属锂电极保护膜。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性锂镧钛氧陶瓷纳米纤维膜，其特征在于，其制备方法包括：配置由锂源、镧源、钛源、高分子聚合物和易挥发性有机溶剂组成的前驱体溶液，静电纺丝形成纳米纤维膜，在空气气氛下煅烧，所述的锂源、镧源、钛源的摩尔比为3X∶(2/3-X)∶1，其中，0.04≤X≤0.17。

一种柔性锂镧钛氧陶瓷纳米纤维膜，其特征在于，所述的柔性锂镧钛氧陶瓷纳米纤维膜由锂镧钛氧化合物纳米纤维组成，所述的锂镧钛氧化合物的结构式为Li_3xLa_2/3-xTiO₃，其中，0.04≤x≤0.17。

本发明还提供了上述的柔性锂镧钛氧陶瓷纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括：