Al制造技术

本发明专利技术公开了一种Al

【技术实现步骤摘要】
Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质及其制备方法


[0001]本专利技术属于全固态锂离子电池领域，涉及LGPS型锂离子固态电解质，具体涉及一种Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质及其制备方法。

技术介绍

[0002]出于对安全性和能量密度方面的考虑，全固态锂离子电池受到了越来越多的关注。一方面，全固态锂离子电池能从根本上解决液态锂离子电池由于含有有机电解液所无法避免的易燃易爆的问题；另一方面，全固态电池能解决传统液态锂离子电池难以用金属锂作为负极材料的难题，且宽的电化学窗口可以适配使用高电势的正极材料，致密的快离子导体电解质能有效阻止锂枝晶的刺穿，从而避免引起正负极短路问题。而金属锂的应用可大幅度提高锂离子电池的能量密度；另外，固态锂电池在高低温稳定性，电化学窗口等方面比液态电解质更具有优势。
[0003]全固态锂离子电池作为锂电池的一种新的形式，其构成主要包括正极、电解质、负极、添加剂、特殊保护电路等，全部由固态材料组成。固态电解质作为全固态锂电池中的关键材料，其特性对全固态锂电池的安全性能、倍率性能和循环性能等具有决定性的影响。在已有报道的固态电解质中，硫化物凭借其极高的室温离子电导率，较好的热稳定性和柔韧性，被认为是最有希望大规模实用化的一类锂离子固态电解质材料。2011年，日本科学家报道了一种具有锂离子三维扩散通道的硫化物固态电解质Li
10
GeP2S
12
(LGPS)，有着高达12mS/cm的室温锂离子电导率，几乎可媲美于传统的有机电解液，且该材料还具有宽约5V的电化学窗口，被考虑作为一种最有前景的固态电解质来应用在全固态锂离子电池上。
[0004]然而，LGPS体系及其改进型(如Si，Sn取代Ge)虽然具有较高的锂离子电导率，对环境较为友好等优点，但也具有原料成本高、合成工艺复杂、界面稳定性较差等缺点，导致其无法得到商业化。寻找一条最优的工艺过程来制备LGPS，并通过合适的掺杂材料来改善LGPS的锂离子传输通道，降低锂离子传输势垒，使其室温离子电导率得到进一步提升，对于全固态锂离子电池领域具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中LGPS体系及其改进型存在的原料成本高、合成工艺复杂、界面稳定性较差等技术问题，本专利技术的目的旨在提供一种Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质及其制备方法，通过优化合成工艺和采用Al
3+
对LGPS结构中的Ge
4+
进行替位掺杂，以进一步提高LGPS型锂离子固态电解质的室温锂离子电导率并提高固态电解质的结构稳定性，从而满足全固态锂离子电池的应用需求。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供了一种Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质，所述固态电解质的通式为：Li
10.35
Ge
1.35
‑
0.75x
Al
x
P
1.65
S
12
，通式中x为：0.05≤x≤0.20。
[0007]上述Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质，通式中的x优选为：0.05≤x≤0.10，x进一步优选为：0.05、0.10，更进一步优选为0.10。当x＝0.10时，该固态电解质的化
学式为Li
10.35
Ge
1.275
Al
0.10
P
1.65
S
12
。此种化学组分下的LGPS型锂离子固态电解质的室温锂离子电导率可达到最佳。
[0008]本专利技术还提供了一种上述Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质的制备方法，采用传统固相法制备工艺，包括按照配料、球磨、压制成型、烧结以及镀金等工序，工艺过程简单，具体包括以下步骤：
[0009](1)配料：以Li2S、GeS2、P2S5和Al2S3为原料，按通式Li
10.35
Ge
1.35
‑
0.75x
Al
x
P
1.65
S
12
确定的摩尔比进行称量配料；
[0010](2)一次球磨：将步骤(1)配好的原料进行球磨处理，干燥后得到一次球磨粉料，将一次球磨粉料压制成型，备用；
[0011](3)一次烧结：将步骤(2)压制成型的坯体真空封装于石英管中，之后在550～600℃下烧结6～12h，获得前驱体；
[0012](4)二次球磨：将步骤(3)获得的前驱体进行球磨处理，干燥后得到二次球磨粉料，将二次球磨粉料压制成型，备用；
[0013](5)二次烧结：将步骤(4)压制成型的坯体真空封装于石英管中，之后在530～570℃下烧结6～12h，烧结结束后自然冷却到室温，获得烧结后的陶瓷片，即为Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质。
[0014]上述Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质的制备方法，所述步骤(2)中，球磨的目的是将配好的各原料进行进一步细化并充分混合均匀；步骤(4)中，球磨的目的将步骤(3)得到的前驱体进行进一步细化，从而得到二次粉料以便再次进行烧结。在步骤(4)中，再进行球磨前，可先将前驱体(块体)捣碎后再球磨。在达到前述目的的基础上，球磨可以采取本领域常规的球磨工艺。本专利技术中，步骤(2)和步骤(4)中的球磨均采用干磨工艺，球磨时间优选为30～60min，更优选为30min。进一步地，球磨后，需进行压制成型以便得到烧结用坯体，本专利技术对压制成型的工艺过程及参数并无特殊限制，可以采用常规的压制成型工艺及参数，本专利技术中，优选压制成型的压力为2～4MPa，更优选为4MPa。
[0015]上述Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质的制备方法，所述步骤(3)一次烧结中，优选580℃下烧结8小时，烧结升温速率优选为5℃/min；步骤(5)中烧结中，优选550℃下烧结8小时，烧结升温速率优选为5℃/min。
[0016]上述Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质的制备方法，将所得烧结后的陶瓷片上下表面镀上金电极，将样品通过测试装置连接电化学工作站进行阻抗测试。镀电极采用本领域常规操作及相应的常规参数即可。一般情况下，镀金电极的电流保持在4～6mA左右，时间为30s，上下表面分别重复20次，镀金过程是在氩气气氛下进行。
[0017]本专利技术提供Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质，其改性原理在于：基于电价平衡的策略使得原子数量较多的Al
3+
掺杂进入Ge
4+
位置，从而LGPS的晶胞体积增大，降低锂离子迁移势垒，有利于锂离子在晶体之间的传输，从而提高室温锂离子电导率。另外，Al<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质，其特征在于：所述固态电解质的通式为：Li
10.35
Ge
1.35
‑
0.75x
Al
x
P
1.65
S
12
，通式中x为：0.05≤x≤0.20。2.根据权利要求1所述的Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质，其特征在于：通式中的x为：0.05≤x≤0.10。3.根据权利要求2所述的Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质，其特征在于：通式中的x为：0.05、0.10。4.根据权利要求3所述的Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质，其特征在于：通式中的x为0.10。5.一种权利要求1
‑
4任一所述的Al
3+
掺杂改性的LGPS型锂离子固态电解质的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)配料：以Li2S、GeS2、P2S5和Al2S3为原料，按通式Li
10.35
Ge
1.35
‑
0.75x
Al
x
P
1.65

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小红，江跃，凌明恩，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：