[发明专利]一种传导钾离子的固态电解质、制备方法及钾固态电池

说明书

本发明提供了一种传导钾离子的固态电解质、制备方法及钾固态电池，所述固态电解质的化学表达式为：其中，0x2。本发明中，由于K为层间碱金属离子，Mg作为高价阳离子进行掺杂，使得固态电解质晶格中产生大量的空位，增加了钾离子的传输通道，降低了钾离子扩散所需的活化能，从而提高了电解质的离子导电能力，有利于提高电池的能量密度，为钾固态电池的制备提供了必要条件，同时，与现有技术中的液态电解质相比大大提高了电池的安全性。

技术领域

本发明涉及固态电解质技术领域，具体而言，涉及一种传导钾离子的固态电解质及其制备方法。

背景技术

21世纪以来，锂离子电池已经成为我们生活的一部分，但是，锂元素号称“稀有金属”，在地壳中的含量约为0.0065％。随着电动汽车等动力系统的发展，人们对二次电池的需求也从小型电子设备向高能量密度、大功率的需求迈进。然而，稀缺的锂资源使得未来的锂离子电池成本不断上升，已有研究者指出如果将来电动车和混合电动车大量应用锂离子电池，这将需要100-500倍于目前可移动锂电应用的含锂材料。这些因素都将限制未来锂电在动力车及大规模能量储存电网系统等方向的发展。从降低材料成本的角度来看，发展新型的可替代锂离子电池的储能体系非常重要。

作为和锂处于同一主族的钾元素与锂存在很多相似的性质，在地壳中的含量为2.47％，远比锂资源丰富，且分布广泛，容易获取。因此，相对于稀缺的锂元素，钾元素含量丰富。因此，发展钾电池是一个非常有前景的研究工作。然而目前的研究工作仅限于钾液态电池的研究，对钾固态电池的研究很少，并且钾液态电池能量密度低，液态电解质容易发生泄漏，存在较大的安全隐患。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种传导钾离子的固态电解质、制备方法及钾固态电池，旨在解决现有钾液态电池能量密度低，并且液态电解质容易泄漏而导致安全隐患的问题。

本发明第一方面提出了一种传导钾离子的固态电解质，所述固态电解质的化学表达式为：其中，0x2。优选的，0.3x0.5。

进一步地，上述传导钾离子的固态电解质中，钛酸镁钾为层状纤铁矿钛酸盐，其中，Mg为2价金属，占据主层的八面体位置，主层的晶体结构由共棱和共顶角的[MgO₂]八面体连接而成，K⁺为层间碱金属离子，Mg²⁺作为高价阳离子掺入其中，使得晶格中产生大量的空位。

本发明第一方面提供的传导钾离子的固态电解质，由于K为层间碱金属离子，Mg作为高价阳离子进行掺杂，使得固态电解质晶格中产生大量的空位，增加了钾离子的传输通道，降低了钾离子扩散所需的活化能，从而提高了电解质的离子导电能力，有利于提高电池的能量密度，为钾固态电池的制备提供了必要条件，同时，与现有技术中的液态电解质相比大大提高了电池的安全性。

本发明第二方面提供了一种钾固态电池，其利用上述传导钾离子的固态电解质制成。

由于上述传导钾离子的固态电解质具有较高的离子导电能力，因此，具有该固态电解质的钾固态电池的能量密度得到了较大的提高。

本发明第三方面提供了一种传导钾离子的固态电解质的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)，称取一定量的含钾化合物A、钛酸钾、钛酸镁和含镁化合物B进行混合；

步骤(2)，向所述步骤(1)中的混合物中加入适量溶剂，研磨一段时间后得到混合粉，并对所述混合粉依次进行干燥和初次烧结处理。

进一步地，上述传导钾离子的固态电解质的制备方法中，还可以包括：步骤(3)，将所述步骤(2)中得到的初次烧结产物冷却到室温之后，进行研磨、成型操作，然后再将其进行二次烧结，得到固态电解质钛酸镁钾。