[发明专利]一种Nb、Ta共掺石榴石型LLZO固体电解质及其制备方法

说明书

本发明提供了一种Nb、Ta共掺石榴石型LLZO固体电解质及其制备方法，该固体电解质可广泛应用于全固态电池中。固体电解质表达式为Li_7‑x‑yLa₃Zr_2‑x‑yNb_xTa_yO₁₂，其中x、y值为0～1.5，且0.1≤x+y≤1.5。这种具有立方相石榴石结构的Nb、Ta共掺LLZO固体电解质，可通过传统固相法、溶胶凝胶法、场助烧结、热压烧结等方法在800～1300℃下制得，其室温锂离子电导率为2.50×10^‑4S/cm～1.40×10^‑3S/cm。本发明通过采用价格较低廉的Nb和能显著提高LLZO离子电导率的Ta共同取代Zr位，得到高离子电导率、低成本的LLZO，适用于工业化生产。

技术领域

本发明属于固体电解质制备技术领域，具体涉及一种新型Nb、Ta共掺石榴石型LLZO固体电解质及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其高能量密度、低自放电、长循环寿命等优点而得到人们的青睐。然而，目前商用锂离子电池存在一些严重缺陷：所采用的有机电解液存在易燃、易腐蚀、甚至爆炸的安全隐患。近年来手机电池、电动车电池燃烧爆炸的新闻时有报道。

采用固体电解质取代有机电解液，与正负极组装成全固态锂电池，能从根本上解决锂离子电池的安全隐患，同时进一步提高能量密度并简化组装。固体电解质主要分为有机固体电解质和无机固体电解质。其中，相比于有机固体电解质，无机固体电解质具有离子电导率高，机械性能好等优点。

在众多的无机固体锂离子电解质中，Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)以其较高的室温离子电导率(＞10^-4S/cm)，较宽的电化学窗口(≥5.5 V/Li)，与金属锂接触稳定等优点而成为最有前途的固体电解质之一。LLZO是2007年由德国Murugan R(Murugan R,Thangadurai V,Weppner W.Angewandte Chemie,2007，46(41)7778–81.)首次报道的一种具有石榴石结构的锂离子导体。随后E.Rangasamya等人(E Rangasamy,J Wolfenstine,J Sakamoto.SolidState Ionics，2012，206(1)，28-32)发现，LLZO存在两种相结构，即高温立方相与低温四方相。相比于四方相，立方相需在较高温度下合成，但其离子导电率(～10^-4S/cm)比四方相(～10^-6S/cm)高两个数量级，满足实用性要求。此外，立方相LLZO对空气稳定，而四方相在100～150℃的空气中会发生相变。因此，获得纯立方相的石榴石结构，烧结成致密化陶瓷，是石榴石型结构的固体电解质实用化的关键。