一种固态电解质材料及其制备方法及固态电池

本发明涉及固态电池，特别涉及一种固态电解质材料及其制备方法及固态电池。

背景技术：

1、固态电解质相较于传统的液态电解质，其具有以下优势：1)更高的安全性，由于固态电解质具有较高的熔点和稳定性，可以避免液态电解质的泄漏和爆炸等安全隐患；2)更长的使用寿命，由于固态电解质相较于液态电解质具有更长的使用寿命，可以减少更换电解质的频率和成本；3)更高的能量密度，由于固态电解质具有更高的离子传导性能，能够支持更高的电荷密度和能量密度，从而提高电池的性能；4)更强的耐温性，固态电解质的高熔点和较高的热稳定性，使其能够承受更高的工作温度，从而适用于更多的应用场景。

2、li1.3al0.3ti1.7p3o12(latp)是当下研究十分热门的一种氧化物固态电解质，其具有：1)高离子导电性：氧化物固态电解质具有较高的离子传导性能，能够有效地促进离子在电池中的传输。这使得电池具有更高的能量密度和更快的充放电速率；2)良好的化学稳定性：氧化物固态电解质对于氧化还原反应和其他电化学反应具有较高的稳定性，能够延长电池的使用寿命；3)抑制锂枝晶生长：氧化物固态电解质可以有效地抑制锂枝晶的生长，减少锂枝晶穿透电解质层引起短路的风险，从而提高电池的安全性；4)抗高温性：氧化物固态电解质通常具有较高的熔点和较好的热稳定性，能够在高温环境下保持良好的性能，适用于高温条件下的电池应用；5)无需添加溶剂：相较于某些液态电解质，氧化物固态电解质在制备过程中无需添加溶剂，降低了环境污染和火灾风险，有利于电池的可持续发展。因此，latp作为一种典型的氧化物固态电解质，其在固态电池技术中具有潜在的应用前景，可以用于提升电池性能和安全性。

3、然而，由于latp的致密度及晶体的成型结构其会影响材料的导电率，因此，为了提高材料的导电率，在制备过程中通常会采取较高的烧结温度(大于1000℃)，以获得致密度较高且晶型为nasicon型结构的latp晶体，但是，当烧结温度提高时，易导致li挥发溢出，反而导致材料的电导率下降。为了弥补高烧结温度导致的li损失，需提高原料中li源的配比，又会导致成本增加，甚至难以获得相应晶型的latp。

4、可见，现有技术还有待改进和提高。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种固态电解质材料及其制备方法及固态电池，旨在解决现有通过高温烧结得到latp，存在密度小、导电性不足的缺陷。

2、为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

3、一种固态电解质材料，其中，所述材料的化学通式为：li1.3al0.3ti1.7p3o12+xa+yb，其中，所述助剂a为过渡金属氧化物，所述助剂b为低温助剂，所述x为：0＜x≤0.08，所述y为：0＜y≤0.05。

4、所述的固态电解质材料中，所述助剂a包括coo、cuo、feo、nio、zno、nbo中的一种或多种。

5、所述的固态电解质材料中，所述助剂b为li2b4o7和sio2的组合，或为libo2和sio2的组合。

6、所述的固态电解质材料中，所述li2b4o7和libo2的纯度≥99.5％

7、一种固态电解质材料的制备方法，其中，用于制备如上所述的固态电解质材料，所述固态电解质材料为圆形的片材，所述方法包括步骤：

8、将陶瓷组分混匀、球磨、干燥、过筛，得到第一粉末；所述陶瓷组分由碳酸锂、三氧化二铝、二氧化钛和磷酸二氢铵组成；

9、取助剂a和助剂b，研磨、过筛，加至第一粉末中，混匀，得到第二粉末；

10、于500℃煅烧第二粉末，得熔块；

11、将熔块经研磨、球磨、过筛后，得到第三粉末；

12、将第三粉末装模并静压成圆片；

13、将圆片置于马弗炉中于650～700℃烧制4～6h，烧结完成后，经抛光打磨后，得到圆片状固态电解质材料。

14、所述的固态电解质材料的制备方法中，所述第二粉末中，助剂a的质量为第一粉末的0.22％～1.07％，助剂b的质量为0.94％～1.23％。

15、所述的固态电解质材料的制备方法中，所述将第三粉末装模并静压成圆片的静压压力为100～300mpa。

16、所述的固态电解质材料的制备方法中，在烧制固体电解质圆片时，马弗炉的升温速率为8℃/min。

17、所述的固态电解质材料的制备方法中，在混合陶瓷组分前，还包括对陶瓷组分进行除湿的步骤，以去除碳酸锂、三氧化二铝、二氧化钛和磷酸二氢铵中的水分。

18、一种固态电池，其中，所述固态电池采用如上所述的固态电解质材料作为电解质。

19、有益效果：

20、本发明提供了一种固态电解质材料，该材料在latp的基础上，通过添加助剂a和助剂b，所述助剂a为具有较好导电性的过渡金属氧化物，其可在li的数量不增加的前提下，提高材料的导电率；所述助剂b为低温助剂，其可降低材料的烧结温度，避免li挥发溢出，使材料在较低的温度下形成结构致密且稳定的nasicon型晶体，提高晶体的致密度，进而提高材料的导电率。

21、本发明第二方面提供了一种固态电解质材料的制备方法，该方法通过调整原料组成，添加具有导电性能的助剂a和具有降低烧结温度的助剂b，使陶瓷材料在较低的烧结温度下即可形成nasicon型结构的latp晶体，不但可防止li溢出，并且制备得到的晶体密度大，致密度高，导电性好，可广泛应用于固态电池。

22、采用该材料制备得到的固态电池，具有较好的导电性、较高的电荷密度和能量密度，同时还具有更高的耐温性，因此具有更大的应用前景。

技术特征：

1.一种固态电解质材料，其特征在于，所述材料的化学通式为：li1.3al0.3ti1.7p3o12+xa+yb，其中，所述助剂a为过渡金属氧化物，所述助剂b为低温助剂，所述x为：0＜x≤0.08，所述y为：0＜y≤0.05。

2.根据权利要求1所述的固态电解质材料，其特征在于，所述助剂a包括coo、cuo、feo、nio、zno、nbo中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的固态电解质材料，其特征在于，所述助剂b为li2b4o7和sio2的组合，或为libo2和sio2的组合。

4.根据权利要求3所述的固态电解质材料，其特征在于，所述li2b4o7和

5.一种固态电解质材料的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-4任一项所述的固态电解质材料，所述固态电解质材料为圆形的片材，所述方法包括步骤：

6.根据权利要求5所述的固态电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第二粉末中，助剂a的质量为第一粉末的0.22％～1.07％，助剂b的质量为0.94％～1.23％。

7.根据权利要求5所述的固态电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将第三粉末装模并静压成圆片的静压压力为100～300mpa。

8.根据权利要求5所述的固态电解质材料的制备方法，其特征在于，在烧制固体电解质圆片时，马弗炉的升温速率为8℃/min。

9.根据权利要求5所述的固态电解质材料的制备方法，其特征在于，在混合陶瓷组分前，还包括对陶瓷组分进行除湿的步骤，以去除碳酸锂、三氧化二铝、二氧化钛和磷酸二氢铵中的水分。

10.一种固态电池，其特征在于，所述固态电池采用如权利要求1-4任一项所述的固态电解质材料作为电解质。

技术总结
本发明公开了一种固态电解质材料及其制备方法及固态电池，涉及固态电池技术领域，所述固态电解质材料的化学通式为：Li<subgt;1.3</subgt;Al<subgt;0.3</subgt;Ti<subgt;1.7</subgt;P<subgt;3</subgt;O<subgt;12</subgt;+xA+yB，其中，所述助剂A为过渡金属氧化物，所述助剂B为低温助剂，所述x为：0＜x≤0.08，所述y为：0＜y≤0.05。该材料在LATP的基础上，通过添加具有较好导电性的过渡金属氧化物，其可在Li的数量不增加的前提下，提高材料的导电率；通过添加低温助剂B，其可降低材料的烧结温度，避免Li挥发溢出，使材料在较低的温度下形成结构致密的NASICON型晶体，提高晶体的致密性，进而提高材料的导电率。

技术研发人员：方梓烜,王帆,徐自强,吴孟强
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21