一种铜掺杂固态电解质及其制备方法和应用、全固态电池技术

本发明专利技术涉及固态电解质技术领域，公开了一种铜掺杂固态电解质及其制备方法和应用、全固态电池。该方法包括：(1)将氧化物电解质压制成型，得到固态电解质片；(2)在含氧气氛存在下，将所述固态电解质片与铜箔叠放形成固态电解质前驱体，并将所述固态电解质前驱体进行煅烧处理；所述煅烧处理的条件至少包括：升温速度为1

【技术实现步骤摘要】
一种铜掺杂固态电解质及其制备方法和应用、全固态电池


[0001]本专利技术涉及固态电解质
，具体涉及一种铜掺杂固态电解质及其制备方法和应用、全固态电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池自从1991年商业化以来迅速在全球普及，已经广泛用于电厂电站、人造卫星、电动汽车、手机电脑以及其余电子设备。尤其是近年来在全球各国政策刺激下，电动汽车销量持续告诉增长，对锂离子电池的需求持续升温，同时也对其能量密度、安全性、稳定性等性能提出了更高的要求。锂离子电池从结构上可以简单分为正极材料、负极材料、隔膜及电解液四个部分。由于使用的液态电解液含有易挥发易燃的有机溶剂如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等，热稳定性差，易发生燃烧起火，是锂离子电池存在安全隐患的重要因素。
[0003]此外，液态电解液工作温度范围较窄、很多情况下不适用，锂离子迁移数较低，电解液容易与负极材料发生反应，不能匹配高能量密度的锂金属负极等缺点，影响了电池倍率及能量密度等性能的进一步提升。
[0004]固态电池采用固态电解质，具有高稳定性、高安全性、高能量密度、等优势，成为当前的研究热点，被称为是下一代锂离子电池。固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，因而全固态电池具有更好的安全性和更长的使用寿命。
[0005]其中，无机固态电解质具有较高的机械强度，可以防止锂晶枝的生长，较宽的电化学窗口，可以承载更大的工作电压，因此有望用于锂金属电池及高电压正极，能量密度提升空间大。
[0006]固态电解质是固态电池的核心组件，主要分为聚合物电解质、硫化物电解质和氧化物电解质。其中，聚合物电解质具有与电极接触界面良好，易加工，弹性好的优点，但本身离子电导率低，运行温度高，化学窗口较窄；硫化物电解质虽然具有较高的离子电导率，但是化学稳定性拆，对空气敏感，容易氧化，易与水反应产生H2S，对生产环境要求苛刻；氧化物电解质离子电导率较高，化学稳定性高，综合性能优异，受到广泛的关注。
[0007]然而，现有氧化物固态电解质的锂离子电导率仍比较低，从而导致制备得到的固态电池具有阻抗高、倍率性能不佳的问题。
[0008]因此，为了获得阻抗低且倍率性能优异的固态电池，亟需开发出一种离子电导率高的固态电解质。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是为了解决现有技术中固态电解质存在离子电导率低的问题。
[0010]专利技术人在研究过程中发现，在传统NaSICON结构的氧化物电解质中掺杂铜离子，并且控制铜离子的掺杂量为0.1
‑
5wt％，能够获得额外的离子迁移通道，提升锂离子在晶格骨架中的移动速度，从而提升固态电解质的离子电导率，以获得阻抗低、倍率性能优异的全固态电池。基于此，专利技术人完成了本方案。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种制备铜掺杂固态电解质的方法，该方法包括：
[0012](1)将氧化物电解质压制成型，得到固态电解质片；所述氧化物电解质为平均粒径为0.2
‑
20μm的粉末；所述氧化物电解质为NASICON结构氧化物电解质；
[0013](2)在含氧气氛存在下，将所述固态电解质片与铜箔叠放形成固态电解质前驱体，并将所述固态电解质前驱体进行煅烧处理；所述煅烧处理的条件至少包括：升温速度为1
‑
5℃/min，温度为600
‑
1300℃，时间为1
‑
24h；
[0014]其中，所述含氧气氛中的含氧量≮20wt％；
[0015]控制所述煅烧处理的条件和/或所述铜箔的厚度，以使得铜掺杂固态电解质中铜离子的掺杂量为0.1
‑
3wt％。
[0016]优选地，在步骤(2)中，控制所述煅烧处理的条件和/或所述铜箔的厚度，以使得铜掺杂固态电解质中铜离子的掺杂量为0.3
‑
1.5wt％。
[0017]优选地，在步骤(2)中，所述铜箔的厚度为6
‑
25μm。
[0018]优选地，在步骤(2)中，所述煅烧处理的条件至少包括：升温速度为3
‑
5℃/min，温度为800
‑
1100℃，时间为4
‑
12h。
[0019]优选地，在步骤(1)中，所述氧化物电解质为具有式(I)所示结构的化合物，
[0020]Li
1+x
Al
x
Ti2‑
x
(PO4)3，
ꢀꢀ
式(I)；
[0021]式(I)中，所述x为0.3
‑
0.6。
[0022]优选地，在步骤(1)中，所述压制成型的条件至少包括：压力为100
‑
300MPa。
[0023]优选地，在步骤(1)中，所述固态电解质片为圆形，且所述固态电解质片的直径为10
‑
50mm，厚度为0.5
‑
5mm。
[0024]本专利技术第二方面提供由第一方面所述的方法制备得到的铜掺杂固态电解质。
[0025]本专利技术第三方面提供第二方面所述的铜掺杂固态电解质在固态电池中的应用。
[0026]本专利技术第四方面提供一种全固态电池，包括正极、负极、隔膜以及第二方面所述的铜掺杂固态电解质。
[0027]本专利技术在氧化物固态电解质中掺杂特定量的铜离子，能够显著提升氧化物固态电解质的离子电导率，将该铜掺杂固态电解质应用于全固态电池中，能够得到阻抗低、倍率性能好的全固态电池。
具体实施方式
[0028]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0029]本专利技术中，未作相反说明的情况下，所述压力均为表压。
[0030]如前所述，本专利技术的第一方面提供了一种制备铜掺杂固态电解质的方法，该方法包括：
[0031](1)将氧化物电解质压制成型，得到固态电解质片；所述氧化物电解质为平均粒径为0.2
‑
20μm的粉末；所述氧化物电解质为NASICON结构氧化物电解质；
[0032](2)在含氧气氛存在下，将所述固态电解质片与铜箔叠放形成固态电解质前驱体，并将所述固态电解质前驱体进行煅烧处理；所述煅烧处理的条件至少包括：升温速度为1
‑
5℃/min，温度为600
‑
1300℃，时间为1
‑
24h；
[0033]其中，所述含氧气氛中的含氧量≮20wt％；
[0034]控制所述煅烧处理的条件和/或所述铜箔的厚度，以使得铜掺杂固态电解质中铜离子的掺杂量为0.1
‑
3wt％。
[0035]本专利技术中，所述“将所述固态电解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备铜掺杂固态电解质的方法，其特征在于，该方法包括：(1)将氧化物电解质压制成型，得到固态电解质片；所述氧化物电解质为平均粒径为0.2
‑
20μm的粉末；所述氧化物电解质为NASICON结构氧化物电解质；(2)在含氧气氛存在下，将所述固态电解质片与铜箔叠放形成固态电解质前驱体，并将所述固态电解质前驱体进行煅烧处理；所述煅烧处理的条件至少包括：升温速度为1
‑
5℃/min，温度为600
‑
1300℃，时间为1
‑
24h；其中，所述含氧气氛中的含氧量≮20wt％；控制所述煅烧处理的条件和/或所述铜箔的厚度，以使得铜掺杂固态电解质中铜离子的掺杂量为0.1
‑
3wt％。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，控制所述煅烧处理的条件和/或所述铜箔的厚度，以使得铜掺杂固态电解质中铜离子的掺杂量为0.3
‑
1.5wt％。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述铜箔的厚度为4
‑
100μm，优选为6
‑
25μm。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述煅烧处理的条件至少包...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚迪，胡恒广，刘文渊，王博，张广涛，闫冬成，郝艺，
申请(专利权)人：北京远大信达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：