本技术公开了一种高熵石榴石型氧化物固体电解质薄膜的制备方法及应用,涉及石榴石固态锂电池设计技术领域。本发明电解质薄膜先将预制的Li<subgt;5.25</subgt;Ga<subgt;0.25</subgt;La<subgt;3</subgt;(ZrTiTaNb)<subgt;0.5</subgt;O<subgt;12</subgt;样品粉末分散于无水乙醇溶液中,再将该分散液旋涂于硅基片上并进行高温热处理来制备的。本发明一种高熵石榴石型氧化物固体电解质薄膜的制备方法及应用,相比于传统榴石型氧化物固体电解质片来说,高熵石榴石型氧化物固体电解质薄膜中多元素产生的高熵效应及鸡尾酒效应赋予了其室温离子电导率高、空气稳定性好、烧结温度和能耗低、界面润湿性和锂枝晶抑制能力好等优异的综合性能。
背景技术
全固态锂电池使用固体电解质代替传统易燃易泄漏的液体电解质,具有更高的安全性和能量密度,显示出广阔的发展前景,固体电解质作为全固态锂电池的关键组分已被广泛研究。石榴石型氧化物固体电解质(Li7
La3
Zr2
O12
,LLZO)因其与金属锂(Li)阳极的良好稳定性和宽电化学窗口而引起了研究人员的关注,但它在室温下高离子电导率的立方相结构不稳定且容易与空气中的水和CO2
反应,存在室温下离子电导率低、空气稳定性差、烧结温度和能耗高等问题。
对LLZO进行元素掺杂,可以增加其晶体结构中的锂空位和Li+
骨架的无序性从而提高其性能。但掺杂改性的最终效果往往取决于掺杂元素的类型及其掺杂水平,单一元素对LLZO电解质性能的改善效果通常是有限且单一的。例如,Ti掺杂只能通过促进电解质颗粒的烧结增加致密度来抑制锂枝晶、Ta/Nb掺杂只能提高离子电导率等。此外,传统压制烧结法虽能在一定程度上提高电解质片的致密度,但该方法在压片过程中难以压制出较薄的电解质片,因为太薄的片在脱模过程中容易破损,因而该方法所得的电解质片通常较厚,且高温烧结过后需对电解质片表面进行打磨抛光处理以改善其与锂负极的界面接触。
“高熵”材料是近年来提出的一类单相材料,是通过五种或多种元素以等摩尔比或近摩尔比固溶而获得的。目前,高熵材料的设计策略已扩展到各种功能陶瓷材料,如氧化物、硫化物、碳化物、氮化物、硼化物和硅酸盐。其中,高熵氧化物材料在能量存储和转换领域显示出独特的优势。具体而言,不同元素的原子尺寸及其与高熵氧化物材料中氧离子的键合能的差异会导致晶格结构的局部畸变,从而改善材料中离子的迁移。此外,多种元素带来的高熵效应和元素之间的协同效应也可以有效地提高材料的性能。因此,将多种合适的元素同时引入LLZO的结构中以构建高熵石榴石固体电解质可能会产生意想不到的改性效果。
此外,旋涂作为一种湿化学制膜工艺,具有合成条件温和灵活、成膜均匀且厚度和组成可控、过程简单、成本低、高产等优点。因此,采用旋涂法将固体电解质制备成薄膜型材料,将更利于电解质中的离子迁移、弥补LLZO在离子电导率方面的不足并降低电池的总阻抗。
实现思路