一种Li掺杂氧化物纳米片材料包括其的复合电解质膜及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种Li掺杂氧化物纳米片材料包括其的复合电解质膜及制备方法，Li掺杂氧化物纳米片材料包括呈片状的结构单元，呈片状的结构单元上具有孔道；呈片状的结构单元的比表面积为1

【技术实现步骤摘要】
一种Li掺杂氧化物纳米片材料包括其的复合电解质膜及制备方法


[0001]本专利技术属于固态锂电池
，涉及一种Li掺杂氧化物纳米片材料及其制备方法，以及包括Li掺杂氧化物纳米片材料的复合电解质膜及其制备方法，以及包括复合电解质膜的固态锂电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池(LIB)由于其高能量密度一直主导着商业储能技术的发展。尽管目前使用的液体电解质使LIB具有高离子导电性，但其易燃性仍然构成重大安全隐患。使用不易燃的全固态电解质代替液体电解质制备而成的固态锂电池可有效提高其安全性能和能量密度。在过去的研究中，发现了各种类型的固体电解质材料，主要包括三大类：硫化物、氧化物和聚合物。具体而言，硫化物和氧化物电解质通常具有优异的离子导电性，但由于固体的刚性特征，它们不能完全接触电极材料，因此组装的电池具有较大的电解质/电极界面电阻。相比之下，聚合物电解质可以很容易地制成薄膜，并与电极有良好的物理接触，从而改善电池的界面兼容性。然而，室温下聚合物电解质离子电导率低，电化学窗口窄等缺点限制了它们在固态锂金属电池中的应用。
[0003]将无机填料(包括惰性填料和活性填料)引入聚合物中制备有机/无机复合电解质被认为是解决聚合物电解质上述问题的重要策略。与孤立的无机颗粒相比，具有大表面的活性填料纳米片或纳米线不仅增加了表面相互作用，也为锂离子提供了额外的长程锂离子传输通道。此外，在金属氧化物(无机填料)中引入氧空位可以改善离子传输特性，但目前，这类研究仍处于初级阶段，制备工艺复杂，且氧空位数量与离子电导率提升的关系也不够明确。
[0004]因此，如何构建离子电导率高、电化学窗口宽的聚合物电解质，以进一步提高固态锂电池的循环性能和能量密度是一个复杂且亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种Li掺杂氧化物纳米片材料及其制备方法，以及包括Li掺杂氧化物纳米片材料的复合电解质膜及其制备方法，以及包括复合电解质膜的固态锂电池。本专利技术利用制备得到的Li掺杂氧化物纳米片材料的特殊结构，以提高聚合物电解质的离子电导率、电化学窗口和固态锂电池的循环性能和能量密度。
[0006]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种用于电解质的Li掺杂氧化物纳米片材料，所述Li掺杂氧化物纳米片材料包括呈片状的结构单元，所述呈片状的结构单元上具有孔道，孔道尺寸为50
‑
200nm；所述呈片状的结构单元的比表面积为1
‑
10m2/g；所述呈片状的结构单元包括氧化物纳米颗粒以及Li的氧化物，且Li的氧化物掺杂到氧化物的晶格中，所述氧化物包括ZnO、SiO2、SnO、Sb2O3、CuO、Cu2O中任意一种或至少两种的组合物，Li掺杂的质量分数为Li
掺杂氧化物纳米片材料总质量的0
‑
13wt％且不包括0，优选为3.2wt％。
[0008]第二方面，本专利技术提供了前述Li掺杂氧化物纳米片材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0009](1)将氧化物源、锂源、催化剂、胶黏剂和溶剂配置成的溶液通过静电纺丝制成纤维状前驱体；
[0010](2)将步骤(1)中的纤维状前驱体在保护气氛下进行煅烧制成Li掺杂氧化物纳米片材料。
[0011]作为本专利技术的优选方案，所述氧化物源包括Zn盐、Si盐、Sn盐、Sb盐或Cu盐中任意一种或至少两种的组合。
[0012]作为本专利技术的优选方案，所述Zn盐包括硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌、硼酸锌或磷酸锌中任意一种或至少两种的组合。
[0013]作为本专利技术的优选方案，所述Si盐包括二氧化硅、氧化亚硅或乙酸硅中任意一种或至少两种的组合。
[0014]作为本专利技术的优选方案，所述Sn盐包括硫酸亚锡、草酸亚锡、氟磷酸亚锡或氟硼酸亚锡中任意一种或至少两种的组合。
[0015]作为本专利技术的优选方案，所述Sb盐包括醋酸锑、乙醇锑、酒石酸钠锑或五氧化二锑中任意一种或至少两种的组合。
[0016]作为本专利技术的优选方案，所述Cu盐包括硝酸铜、硫酸铜、乙酸铜、硼酸铜或磷酸铜中任意一种或至少两种的组合。
[0017]作为本专利技术的优选方案，所述锂源包括乙酸锂、磷酸锂、草酸锂或四硼酸锂中任意一种或至少两种的组合。
[0018]作为本专利技术的优选方案，所述催化剂包括硝酸钴、硝酸镍、醋酸钴或硝酸铁中任意一种或至少两种的组合。
[0019]作为本专利技术的优选方案，所述胶黏剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、丁腈橡胶或羟甲基纤维素中任意一种或至少两种的组合。
[0020]作为本专利技术的优选方案，所述溶剂包括水。
[0021]作为本专利技术的优选方案，所述氧化物源的用量为使溶液中氧化物的含量为0.1
‑
2mol/L。
[0022]作为本专利技术的优选方案，锂源的用量为使溶液中锂源的含量为0.1
‑
2mol/L。
[0023]作为本专利技术的优选方案，催化剂的用量为使溶液中催化剂的含量为0.01
‑
0.05mol/L。
[0024]作为本专利技术的优选方案，胶黏剂的用量为使溶液中胶黏剂的含量为0.01
‑
1g/L。
[0025]作为本专利技术的优选方案，步骤(1)中静电纺丝的压力为正高压10
‑
25kV；静电纺丝针头与接收器之间的距离为10
‑
20cm；纺丝液流速为0.1
‑
1mL
·
h
‑1；连续纺丝时间为1
‑
5h。
[0026]作为本专利技术的优选方案，步骤(2)中保护气氛为氩气。
[0027]作为本专利技术的优选方案，步骤(2)中煅烧温度为300
‑
500℃，煅烧时间为0.5
‑
12h。
[0028]第三方面，本专利技术提供了一种用于固态锂电池的复合电解质膜，所述复合电解质膜包括：离子导电聚合物、碱金属盐和前述Li掺杂氧化物纳米片材料；其中，碱金属盐的用量为离子导电聚合物总质量的5wt％
‑
50wt％，Li掺杂氧化物纳米片材料的用量为离子导电
聚合物总质量的0.5wt％
‑
10wt％。
[0029]作为本专利技术的优选方案，所述离子导电聚合物为聚环氧乙烷(PEO)，其分子量范围为30w
‑
80w，优选为60w。
[0030]作为本专利技术的优选方案，所述碱金属盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂盐、二草酸硼酸锂、高氯酸锂中任意一种或至少两种的组合。
[0031]作为本专利技术的优选方案，所述碱金属盐的用量为离子导电聚合物总质量的25wt％
‑
35wt％。
[0032]作为本专利技术的优选方案，所述Li掺杂氧化物纳米片材料的用量为离子导电聚合物总质量的2wt％
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电解质的Li掺杂氧化物纳米片材料，其特征在于，所述Li掺杂氧化物纳米片材料包括呈片状的结构单元，所述呈片状的结构单元上具有孔道，孔道尺寸为50
‑
200nm；所述呈片状的结构单元的比表面积为1
‑
10m2/g；所述呈片状的结构单元包括氧化物纳米颗粒以及Li的氧化物，且Li的氧化物掺杂到氧化物的晶格中，所述氧化物包括ZnO、SiO2、SnO、Sb2O3、CuO或Cu2O中任意一种或至少两种的组合物，Li掺杂的质量分数为Li掺杂氧化物纳米片材料总质量的0
‑
13wt％且不包括0。2.一种如权利要求1中所述Li掺杂氧化物纳米片材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将氧化物源、锂源、催化剂、胶黏剂和溶剂配置成的溶液通过静电纺丝制成纤维状前驱体；(2)将步骤(1)中的纤维状前驱体在保护气氛下进行煅烧制成Li掺杂氧化物纳米片材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化物源包括Zn盐、Si盐、Sn盐、Sb盐或Cu盐中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述Zn盐包括硝酸锌、硫酸锌、乙酸锌、硼酸锌或磷酸锌中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述Si盐包括二氧化硅、氧化亚硅或乙酸硅中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述Sn盐包括硫酸亚锡、草酸亚锡、氟磷酸亚锡或氟硼酸亚锡中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述Sb盐包括醋酸锑、乙醇锑、酒石酸钠锑或五氧化二锑中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述Cu盐包括硝酸铜、硫酸铜、乙酸铜、硼酸铜或磷酸铜中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述锂源包括乙酸锂、磷酸锂、草酸锂或四硼酸锂中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述催化剂包括硝酸钴、硝酸镍、醋酸钴或硝酸铁中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述胶黏剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、丁腈橡胶或羟甲基纤维素中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述溶剂包括水；优选地，所述氧化物源的用量为使溶液中氧化物的含量为0.1
‑
2mol/L；优选地，所述锂源的用量为使溶液中锂源的含量为0.1
‑
2mol/L；优选地，所述催化剂的用量为使溶液中催化剂的含量为0.01
‑
0.05mol/L；优选地，所述胶黏剂的用量为使溶液中胶黏剂的含量为0.01
‑
1g/L。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中静电纺丝的压力为正高压10
‑
25kV；静电纺丝针头与接收器之间的距离为10
‑
20cm；纺丝液流速为0.1
‑
1mL
·
h
...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚猛，黄冰，车勇，戴翔，
申请(专利权)人：北京恩力动力技术有限公司，
类型：发明
国别省市：