[发明专利]一种镁系固态电解质及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及固态电解质材料和制备技术领域，具体涉及一种镁系固态电解质及其制备方法与应用。一种镁系固态电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将固相钛和固相磷混合后在500～600℃下烧结制得焦磷酸钛；焦磷酸钛再处理获得焦磷酸钛细粉后与固相镁混合，在850～1000℃下烧结制得镁系固态电解质。先通过磷源和钛源的低温烧结制备分散性好、粒径小的磷酸钛粉体；增加磷酸钛的反应活性；从而提高钛与镁的结合；减少杂质的生成。本方案的优势在于，合成工艺简单，省时省力，适合量化生产。

技术领域

本发明涉及固态电解质材料和制备技术领域，具体涉及一种镁系固态电解质及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池被认为是目前最有前途的储能和动力化学电源。目前，锂离子电池被广泛的应用于便携式可充电器件或者大功率电动汽车相关的领域。但由于地球的锂储存量有限，为满足当前人类生产生活所需，亟需研发下一代金属离子电池。

镁的存储量为锂的1000倍，而价格仅仅为锂的7％。更值得注意地是，带二价电荷的镁离子，其离子半径小于锂离子，因此在单次电循环中能提供2205mAh·g^-1的重量能量密度和3833mAh·cm^-3的体积能量密度，远远高于现阶段基于石墨负极的商业锂离子电池。

日前，镁系固态电解质的相关研究较少。其中，磷酸钛镁作为一种镁系固态电解质材料，其具有良好的电化学性能，也是镁系固态电解质材料中研究较多的一种材料。常见的制备磷酸钛镁的方法主要为固相烧结，其具有工艺简单、适合工业化生产等特点。

但是磷酸钛镁的固相合成过程中，由于磷元素与钛元素易结合生成焦磷酸钛(TiP2O7)；且焦磷酸钛的热稳定性较好，在最终合成的磷酸钛镁材料中容易产生焦磷酸钛的杂峰，且不容易消除。需要通过反复破碎烧结才可能消除，提高能耗；增加生产成本。一次烧结可解决多次烧结带来的耗时耗能耗力等问题，但一次烧结制得的磷酸钛镁则需依赖助烧剂如Al₂O₃，但在烧结过程中，难免会残留少量的Al₂O₃，从而引入Al杂质。

因此，开发一种省时省力纯度极高的磷酸钛镁的制备方法极具现实意义。

发明内容

本发明为了克服上述缺陷，提供了一种镁系固态电解质及其制备方法与应用。通过本发明提供的制备方法可制备得到纯相的磷酸钛镁材料，制备简单，纯度高；低能耗、高效率；适合量产化生产。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种镁系固态电解质的制备方法，包括以下步骤：

S1、将固相钛和固相磷混合后在500～600℃下烧结制得焦磷酸钛；

S2、焦磷酸钛再处理获得焦磷酸钛细粉后与固相镁混合，在850～1000℃下烧结制得镁系固态电解质。

由于钛与磷非常容易结合，在一般的磷酸钛镁制备过程中，常因烧结反应不充分出现焦磷酸钛杂质。此时，在磷酸钛镁中的焦磷酸钛含量较低，但却极为难去除。因为出现了需耗费大量成本以去除焦磷酸钛杂质的情况。

本申请的发明人研究发现：磷酸钛镁中镁含量仅占3％左右。镁含量过低使得镁源、钛源、磷源的混料很难充分、均匀，而钛与镁又不易结合，使得一次烧结很难制备得到目标材料。在一次烧结过程中，往往需要添加助剂，而助剂的引入容易掺入杂质。多次高温烧结可得到纯度较高的磷酸钛镁，但耗时耗力，使得制备工艺存在不确定性，工艺重复性会变差；同时，成本高昂，不利于生产制造。为获取纯度高的磷酸钛镁则不可避免反复烧结增大成本，而为了节约成本则不可避免引入杂质降低磷酸钛镁的纯度。

在考虑上述情况后，本申请的发明人选用固态的钛与固态的镁进行最为简单的固相反应，低温预烧结先得到活性较高的焦磷酸钛。再由焦磷酸钛与固态的镁高温烧结得到纯相的磷酸钛镁。