一种氧化物固态电解质及其制备方法与应用与流程

本技术涉及锂离子电池，尤其涉及一种氧化物固态电解质及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着锂离子电池的技术发展，其逐渐在笔记本电脑、手机、数码相机等消费电子产品领域占据主导地位，近年来在电动工具、汽车动力电池及储能系统领域更是展现出令人瞩目的发展前景。同时也对其能量密度、安全性等方面提出了更高的要求。本领域技术人员在新型正负极材料、电解液、隔膜等方面展开了大量的研究。

2、在众多技术方向中，固态电池因具有更高的安全性、能匹配高能量密度正负极材料等优势，被誉为是下一代锂离子电池，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，氧化物固态电解质离子电导率较高，化学稳定性高，电化学窗口宽，综合性能优异，成为研究热点，然而，氧化物固态电解质本身的锂离子电导率仍然不能满足电池大倍率充放电的要求。提升氧化物固态电解质的离子电导率仍然是目前学术界和产业界研究的重点。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供了一种氧化物固态电解质及其制备方法与应用，所要解决的技术问题是如何降低锂离子在传输过程中在晶界处的界面阻力，以提高其离子电导率和倍率性能。本技术的制备方法简单，反应条件温和，成本低，适合大规模生产。本技术的氧化物固态电解质具有离子电导率高和倍率性能优异等优势，适合应用于高倍率固态电池中应用。

2、第一方面，本技术提供一种氧化物固态电解质的制备方法，采用如下技术方案：

3、一种氧化物固态电解质的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、按照质量份数，将氧化物、碳酸锂、磷酸二氢铵和去离子水混合，然后采用造粒设备进行造粒，得到粒径为4-5mm的小球，然后将小球烘干、得到物质a；

5、s2、将物质a进行高温烧结，降温冷却，得到物质b；

6、s3、将物质b进行粉碎，筛分，得到氧化物固态电解质。

7、通过采用上述技术方案，s1、将氧化物、碳酸锂、磷酸二氢铵和去离子水混合，然后采用造粒设备进行造粒，得到粒径为4-5mm的小球，然后将小球烘干、得到物质a。这一步骤的主要作用是将原料混合均匀，并通过造粒设备将混合物制成小球状，便于后续的高温烧结和粉碎筛分。s2、将物质a进行高温烧结，降温冷却，得到物质b。这一步骤的主要作用是通过高温烧结使物质a中的氧化物与三氧化二硼反应，形成玻璃相，从而改善锂离子在晶界处的传导能力，提高锂离子固态电池的离子电导率和倍率性能。s3、将物质b进行粉碎，筛分，得到氧化物固态电解质。这一步骤的主要作用是将经过高温烧结的物质b进行粉碎和筛分，以获得所需的氧化物固态电解质粒度。通过精准控制升温速度、保温温度、降温速度能够进一步提升氧化物固态电解质的离子电导率高和倍率性能。这是因为升温速度、保温温度和降温速度直接影响到氧化物固态电解质的晶界结构和离子传输特性，通过精准控制这些参数，可以优化氧化物固态电解质的性能。

8、优选的，在步骤s1中，所述氧化物、碳酸锂、磷酸二氢铵和去离子水的质量份数比为(534-545):(88.8-103.6):(690-720):(150-200)。

9、优选的，在步骤s1中，所述氧化物由氧化钛、氧化铝和三氧化二硼以摩尔份数比3.4:0.3:(0.2-0.3)混合制得，所述氧化钛、氧化铝和三氧化二硼的粒径均为5-10μm。

10、通过采用上述技术方案，氧化钛在此混合物中占据最大的摩尔份数比，这意味着它在最终电解质的结构和性能中扮演着主导角色。氧化钛具有良好的化学稳定性和较高的介电常数，这有助于提高电解质的整体离子电导率。氧化铝虽然在混合物中的摩尔份数比较小，但它的加入可以改善电解质的机械强度和热稳定性。氧化铝作为一种高硬度材料，其加入可以增强电解质的结构稳定性，从而在电池充放电过程中减少裂纹的产生。三氧化二硼的添加量虽然不大，但由于硼元素是典型的玻璃网络形成体，它可以在高温煅烧时在晶界处形成玻璃相，这有助于改善锂离子在晶界处的传导能力，从而提高锂离子固态电池的离子电导率和倍率性能。原料的粒径直接影响到它们的反应性和混合均匀性。较小的粒径意味着更高的比表面积，这有助于提高原料之间的接触面积，促进更充分的化学反应，从而得到均一且致密的电解质结构。在烧结过程中，较小粒径的原料可以降低烧结温度，减少能源消耗，并且有助于得到更加微细和均匀的微观结构，这对于提高电解质的离子电导率和机械性能至关重要。通过精确控制氧化钛、氧化铝和三氧化二硼的摩尔份数比，以及保持原料的粒径在5-10μm，可以在烧结过程中形成更加优化的晶体结构，这种结构有利于锂离子的快速传输，从而提高电解质的性能。上述组成的优化不仅提高了电解质的离子电导率，还增强了其在高倍率放电条件下的稳定性和可靠性，这对于高性能固态电池的开发具有重要意义。综上所述，氧化钛、氧化铝和三氧化二硼在制备氧化物固态电解质中的协同作用体现在它们通过特定的摩尔份数比和粒径共同贡献于最终电解质的优异性能。通过精确控制这些参数，可以有效地降低锂离子在传输过程中在晶界处的界面阻力，从而提高电解质的离子电导率和倍率性能，这对于固态电池的发展具有重要的意义。

11、优选的，在步骤s1中，所述混合采用搅拌混料机，搅拌速率50-100rpm，混料时间1-3小时，所述烘干为将小球烘干至水的质量含量为7％-8％。

12、优选的，在步骤s2中，所述高温烧结工艺为：以5-6℃/min升温速率升至700-850℃并保温2-5h。

13、通过采用上述技术方案，使物质a中的氧化物、碳酸锂、磷酸二氢铵等成分充分反应，形成具有良好离子传导性能的氧化物固态电解质。首先，升温速率的控制可以保证物质a中各成分在适当的温度下进行反应，避免因升温过快导致的成分分解或者反应不完全。同时，升温速率的控制也可以避免因升温过慢导致的能源浪费和生产效率降低。其次，保温温度的选择可以保证物质a中各成分在适当的温度下进行充分的反应，形成具有良好离子传导性能的氧化物固态电解质。同时，保温温度的选择也可以避免因保温温度过高导致的氧化物固态电解质的结构破坏或者性能下降。通过这样的高温烧结工艺，可以有效地提高氧化物固态电解质的离子电导率和倍率性能，从而满足高倍率固态电池的应用需求。

14、优选的，在步骤s2中，所述降温冷却是以3-4℃/min的降温速度降温至100-200℃，然后自然冷却至室温。

15、通过采用上述技术方案，在步骤s2中，降温冷却的过程是一个重要的环节，它直接影响到氧化物固态电解质的结构和性能。通过以3-4℃/min的降温速度降温至100-200℃，然后自然冷却至室温，可以有效地控制物质b的晶粒生长和晶界形成。首先，降温速度的控制可以影响晶粒的生长速度和大小。如果降温速度过快，晶粒可能会过于细化，导致晶界增多，从而增加锂离子在传输过程中的界面阻力。反之，如果降温速度过慢，晶粒可能会过大，导致晶界的减少，也会影响锂离子的传导能力。因此，通过精准控制降温速度，可以得到适中的晶粒大小和数量，从而优化锂离子的传导路径。其次，降温至100-200℃的温度范围也是关键的。在这个温度范围内，氧化物固态电解质的晶体结构会逐渐稳定下来，晶界也会逐渐形成。如果降温过低，可能会导致晶体结构的不稳定，影响电解质的性能。反之，如果降温过高，可能会导致晶界的过度形成，也会影响锂离子的传导能力。因此，通过精准控制降温温度，可以得到稳定的晶体结构和合适的晶界数量，从而提高锂离子的传导能力。最后，自然冷却至室温的过程也是必要的。这个过程可以让氧化物固态电解质的温度逐渐降低，避免因温度变化过快而导致的结构变化或应力产生。同时，自然冷却也可以让氧化物固态电解质的内部应力得到释放，进一步提高其稳定性和性能。综上所述，通过精准控制升温速度、保温温度、降温速度以及降温冷却的过程，可以有效地提升氧化物固态电解质的离子电导率高和倍率性能。

16、优选的，在步骤s3中，所述粉碎采用气流磨，气源为空气，空气温度为120-140℃，粉碎压力为0.8-0.9mpa，粉碎后物料的粒度为1-8μm。

17、优选的，在步骤s3中，所述筛分采用超声振动筛，所述超声振动筛的超声震动频率为300-600hz，筛网为2500目。

18、第二方面，本技术提供一种氧化物固态电解质，采用如下的技术方案：

19、作为一个总的技术构思，本技术还提供上述一种氧化物固态电解质，采用上述氧化物固态电解质的制备方法制得。

20、第三方面，本技术提供一种氧化物固态电解质的应用，采用如下的技术方案：

21、作为一个总的技术构思，本技术还提供上述一种氧化物固态电解质在全固态电池技术领域中的应用。

22、综上所述，本技术的有益技术效果：

23、1.降低锂离子在传输过程中在晶界处的界面阻力，提高其离子电导率和倍率性能。通过向氧化物中添加特定比例的三氧化二硼，并在高温煅烧时形成玻璃相，改善了锂离子在晶界处的传导能力。

24、2.制备方法简单，反应条件温和，成本低，适合大规模生产。该方法采用常见的氧化物、碳酸锂、磷酸二氢铵和去离子水作为原料，通过简单的造粒、煅烧、粉碎和筛分步骤得到氧化物固态电解质。

25、3.氧化物固态电解质具有高离子电导率和优异的倍率性能。由于硼元素的加入和精准控制的升温速度、保温温度和降温速度，使得氧化物固态电解质在高倍率固态电池中具有良好的应用前景。

26、4.适用于高倍率固态电池的应用。由于氧化物固态电解质的高离子电导率和优异的倍率性能，使其成为高倍率固态电池的理想选择。