一种二维缺陷氮化硼和复合固态电解质材料及其制备方法和应用

    专利查询2025-06-16  40


    本发明涉及一种具有二维缺陷的bn的镁热合成制备方法,以及它在li2zrcl6-bn复合固态电解质材料当中的应用。属于材料。


    背景技术:

    1、在现有的储能体系之中,锂离子电池是具有代表性的一种,由于其相对较高的能量密度和较长的循环寿命,目前已经被广泛应用在新能源汽车、便携式移动通信设备等领域但是,市场上现有的商业化锂离子电池多数采用有机电解液作为离子传导介质,此类体系不仅具有易挥发、易燃烧等安全性问题,循环过程中产生的固体电解质界面膜也将造成锂离子的消耗,并进一步导致电池容量的衰减。

    2、因此,利用固态材料替代有机电解液作为载流子传输的媒介是提高锂电池储能体系安全性的一种行之有效的方法。相比有机电解液,固态电解质在安全性和稳定性方面都实现了较大的提升。再者,固态电解质存在一定的力学刚性,能有效抑制由于锂离子不均匀沉积导致形成的枝晶,从而进一步提升体系的安全性。由此可见,开发并使用基于固态电解质的全固态电池,是锂金属体系储能技术实现进一步发展的必由之路。

    3、li2zrcl6是一种新兴的卤化物固态电解质材料,具有室温离子电导率高,电势窗口宽、成本低等优势。但与锂负极的界面稳定性较低。而六方氮化硼(h-bn)是一种二维层状材料,此类材料比表面积大、化学稳定性高,同时,由于结构中n原子和b原子通过共价键形成了稳定的晶格结构,导致电子无法在晶格中自由移动,从而实现了极低的电子电导率。由于其独特的物理化学性质,六方氮化硼近些年来,受到了广泛的关注,被誉为“白色石墨烯”。通过高能球磨,对h-bn进行连续剪切,将导致包括孪晶、堆垛层错在内的大量缺陷的产生,从而使h-bn中的晶格对称性发生变化。现有技术中尚无通过缺陷氮化硼d-bn与li2zrcl6复合形成复合电解质的报道。


    技术实现思路

    1、发明目的:本发明的目的是提供一种二维缺陷氮化硼的制备方法;本发明的另一目的是提供一种二维缺陷氮化硼;本发明的另一目的是提供一种复合固态电解质材料;本发明的另一目的是提供一种复合固态电解质材料的制备方法。

    2、技术方案:本发明的一种二维缺陷氮化硼的制备方法,将h-bn和镁粉充分研磨,待样品混合均匀后,得到混合物;高温煅烧混合物,煅烧后的样品经过酸洗中和、抽滤、真空干燥、研磨,即得二维缺陷氮化硼d-bn(m)。

    3、优选地,镁粉和h-bn的摩尔比为1~2:2~1。

    4、优选地,酸洗中和使用的试剂为冰醋酸。

    5、另一方面,本发明提供一种上述的方法制备所得的二维缺陷氮化硼。

    6、另一方面,本发明提供一种复合固态电解质材料,所述复合固态电解质材料为li2zrcl6/d-bn(m),其由上述的二维缺陷氮化硼和li2zrcl6通过高能球磨后制得。

    7、优选地,li2zrcl6和二维缺陷氮化硼的摩尔比为1:0.5~3。

    8、上述技术方案中,所述复合固态电解质材料的室温(25℃)离子电导率最高为6.3×10-4scm-1。

    9、另一方面,本发明提供一种复合固态电解质材料的制备方法,包括以下步骤:

    10、(1)将氯化锂与氯化锆在惰性气氛保护下进行高能球磨处理,得到混合物,对混合物进行热处理制备得到li2zrcl6;

    11、(2)将步骤(1)得到的li2zrcl6与二维缺陷氮化硼bn高能球磨后的混合物,制备成复合固态电解质li2zrcl6/d-bn(m)。

    12、进一步地,所述步骤(1)中,高能球磨的球料比为(40-45):1,转速为450-550转/分钟,球磨时间为5~20小时。

    13、另一方面,本发明提供一种上述的复合固态电解质材料在制备锂离子电池电解质中的应用。

    14、本发明的制备原理:通过氮化硼与氯化锆锂构建了包含空位缺陷的二维复合界面;在热处理过程中,氯化锆锂造成硼氢化物中的晶型由低温相向高温相转变,提高了低温下的离子电导率。

    15、有益效果:与现有技术相比,本发明的具有如下显著优点:

    16、(1)本发明制备的复合材料在室温下离子电导率约比li2zrcl6高2倍以上,尤其在20-40摄氏度内可以达到6.3×10-4s cm-1;

    17、(2)具有较宽的电化学稳定窗口(-1~5v vs.li+),是优良的锂离子导体。



    技术特征:

    1.一种二维缺陷氮化硼的制备方法,其特征在于,将h-bn和镁粉充分研磨,待样品混合均匀后,得到混合物;高温煅烧混合物,煅烧后的样品经过酸洗中和、抽滤、真空干燥、研磨,即得二维缺陷氮化硼d-bn(m)。

    2.根据权利要求1所述的二维缺陷氮化硼的制备方法,其特征在于,镁粉和h-bn的摩尔比为1~2:2~1。

    3.根据权利要求1所述的二维缺陷氮化硼的制备方法,其特征在于,酸洗中和使用的试剂为冰醋酸。

    4.一种由权利要求1-3任一所述的方法制备所得的二维缺陷氮化硼。

    5.一种复合固态电解质材料,其特征在于,所述复合固态电解质材料为li2zrcl6/d-bn(m),其由权利要求4所述的二维缺陷氮化硼和li2zrcl6通过高能球磨后制得。

    6.根据权利6所述的复合固态电解质材料,其特征在于,li2zrcl6和二维缺陷氮化硼的摩尔比为1:0.5~3。

    7.一种复合固态电解质材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:

    8.根据权利要求7所述的复合固态电解质材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,高能球磨的球料比为(40-45):1,转速为450-550转/分钟,球磨时间为5~20小时。

    9.一种权利要求7所述的复合固态电解质材料在制备锂离子电池电解质中的应用。


    技术总结
    本发明公开了一种二维缺陷氮化硼和复合固态电解质材料及其制备方法和应用。二维缺陷氮化硼d‑BN<subgt;(M)</subgt;通过镁热法制备,将h‑BN和镁粉充分研磨,待样品混合均匀后,得到混合物;高温煅烧混合物,煅烧后的样品经过酸洗中和、抽滤、真空干燥、研磨,即得缺陷氮化硼d‑BN<subgt;(M)</subgt;。将Li<subgt;2</subgt;ZrCl<subgt;6</subgt;材料与制备的d‑BN材料按一定摩尔比混合,在氩气氛围中球磨,即可获得Li<subgt;2</subgt;ZrCl<subgt;6</subgt;/d‑BN复合材料。本发明的材料有优异的室温离子电导率(最高6.3×10<supgt;‑4</supgt;Scm<supgt;‑1</supgt;)、宽的电化学窗口、高锂离子迁移率、较低的电子电导率、较强的对锂稳定性、优异的全固态电池性能。此材料是一种室温(25℃)性能优越的锂离子导体,可以用作全固态锂离子电池的固态电解质。

    技术研发人员:张耀
    受保护的技术使用者:东南大学
    技术研发日:
    技术公布日:2024/11/26
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