一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]快離子導(dǎo)體，又稱固態(tài)電解質(zhì)，是指在一定溫度范圍內(nèi)具有和液態(tài)電解質(zhì)相比擬的高離子電導(dǎo)率和低的離子激活能的一類固體材料。快離子非晶態(tài)材料具有成形性好、各向同性、化學(xué)成分和性能在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、不可燃、高的離子電導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是這些材料與相同成分的晶體材料相比電導(dǎo)率高，因此被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高能二次電池“全固體化”的理想電解質(zhì)材料。在電化學(xué)貯能、電化學(xué)器件、高能密度電池等許多領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景，引起人們極大的關(guān)注和興趣。
[0003]快離子導(dǎo)體材料分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩種。晶體快離子導(dǎo)體常用粉末燒結(jié)法制備。為獲得均勻一致的材料，需進(jìn)行研磨壓片熱處理等一系列復(fù)雜過程。這一過程需要重復(fù)多次，另外樣品制備過程還很容易混入雜質(zhì)，降低材料的電導(dǎo)率。與相應(yīng)組成晶態(tài)材料相比，因含大量自由體積而呈開放結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)材料一般具有更高的離子電導(dǎo)率(部分具有特種結(jié)構(gòu)的快離子導(dǎo)電晶體除外)以及具有不存在晶界、成分連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]Ag+導(dǎo)電材料是一類具有高離子電導(dǎo)率的快離子導(dǎo)體材料，其中最典型的AgI晶體在室溫時(shí)離子導(dǎo)電率可達(dá)10_4S/cm，其在高于147°C條件下的a -AgI相，離子電導(dǎo)率則躍升至10_2S/cm ;因而AgI與其他物質(zhì)復(fù)合制備快離子導(dǎo)體材料，尤其是非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料，是當(dāng)今研宄的熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料及其制備方法，本方法將AgI與Ag3PS4進(jìn)行復(fù)合，通過高能球磨法制備出一種新型的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料，整個(gè)制備過程反應(yīng)條件溫和，操作簡單，制備的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體離子導(dǎo)電率較高，穩(wěn)定性較好。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的方案為:
[0007]一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料，它的組成按化學(xué)式表示為:(10mol % -χ)Ag3PS4.xAgl，其中，χ = 10 ?85mol %。
[0008]一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料的制備方法，包括以下步驟:
[0009]I)選取原料:按照化學(xué)式(10mol% -χ)Ag3PS4.xAgl，其中，x = 10 ?85mol% ；選取Ag2S、P2S5、AgI三種原料備用，其中Ag2S = P2S5= 3:1 ；
[0010]2)配料:在充滿惰性氣氛的環(huán)境中，將步驟I)中三種原料研磨，經(jīng)研磨混合制成配合料后，置于球磨罐中，同時(shí)，稱取適量研磨球，其中球料比為10:1?20:1，量取適量研磨助劑置于球磨罐中，并將球磨罐在惰性氣氛保護(hù)下密封；
[0011]3)將密封好的球磨罐置于球磨機(jī)中，將球磨罐以500?800rpm的轉(zhuǎn)速球磨彡 1h ；
[0012]4)將球磨好的樣品置于真空環(huán)境中干燥制得所述的非晶態(tài)材料。
[0013]上述方案中，所述步驟2)中的研磨助劑為正己烷或正庚烷，用量為3_5ml。
[0014]上述方案中，所述步驟3)中的球磨時(shí)間為10_15h。
[0015]上述方案中，所述步驟4)的干燥溫度為60?80攝氏度，干燥時(shí)間為4?8h。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料及其制備方法，所述快離子導(dǎo)體材料為非晶態(tài)，通過高能球磨技術(shù)制得，突破同組分物質(zhì)在熔融淬冷法條件下無法得到非晶態(tài)材料的限制，其中，在球磨過程中，首先Ag2S與P2S5在高能球磨的作用下，形成Ag3PS4的非晶態(tài)材料，然后該非晶態(tài)材料與AgI進(jìn)行復(fù)合(此過程有利于非晶態(tài)材料的合成，且易形成Ag+快速迀移的通道，有益于材料離子導(dǎo)電率的提高)，在高能球磨的條件下，形成所述的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料。整個(gè)制備流程工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，易于操作，制得的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料在室溫下有著較高的離子電導(dǎo)率，且穩(wěn)定性較好。
【附圖說明】
[0017]圖1為實(shí)施例1制備的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料的XRD圖譜。
[0018]圖2為實(shí)施例1制備的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料的交流阻抗圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明的內(nèi)容、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而本發(fā)明不僅限于以下實(shí)施例。
[0020]實(shí)施例1
[0021]本實(shí)施例提供一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料的制備方法，包括以下步驟:
[0022](I)、在氬氣氣氛保護(hù)的手套箱中，按照化學(xué)表達(dá)式為:90% Ag3PS4-1O^ AgI，其中，90%，10%為各化合物的摩爾百分含量；選取Ag2S、P2S5, AgI三種原料備用，其中Ag2S: P2S5= 3:1(摩爾比)，稱取 Ag2S 1.0956g，P2S50.3276g、AgI 0.0769g，將三種原料充分混合后制成混合料，將混合料置于球磨罐中。
[0023](2)、稱取二氧化鋯研磨球30g (球料比為20:1)于球磨罐中，同時(shí)量取研磨助劑正己烷4ml于球磨罐中，在氬氣氣氛保護(hù)下，密封球磨罐。
[0024](3)、將密封好的球磨罐放入高能球磨機(jī)(Fritsch Pulverisette 7)中，在轉(zhuǎn)速為600rpm的條件下，球磨15h，進(jìn)行高能球磨反應(yīng)。
[0025](4)、將球磨好的樣品取出，在真空環(huán)境下，以70°C的條件干燥6h，制得所述的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料。
[0026]將制得的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料進(jìn)行X射線衍射測試，對其中的物相進(jìn)行表征。通過壓片機(jī)壓片，將制得的非晶態(tài)材料壓制成為直徑為1.25cm，厚度為1.5mm的圓片，進(jìn)行阻抗測試。
[0027]圖1為制得的快離子導(dǎo)體材料的XRD圖譜，在球磨30min后，Ag2S與P2S5在高能球磨條件下生成Ag3PS4非晶態(tài)材料，而球磨制得的最終樣品為非晶態(tài)材料。圖2為制得的快離子導(dǎo)體材料在室溫下的交流阻抗譜，從曲線的拐點(diǎn)處可以知道該電解質(zhì)材料的電阻為728.8Ω，經(jīng)公式σ =d/(RXA)計(jì)算，可知該電解質(zhì)材料的室溫離子電導(dǎo)率可達(dá)1.68Xl(T4S/cm0
[0028]實(shí)施例2
[0029]本實(shí)施例提供一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料的制備方法，包括以下步驟:
[0030](I)、在氬氣氣氛保護(hù)的手套箱中，按照化學(xué)表達(dá)式為:50% Ag3PS4.50% AgI,其中，50%，50%為各化合物的摩爾百分含量；選取Ag2S、P2S5, AgI三種原料備用，其中Ag2SiP2S5= 3:1 (摩爾比)，稱取 Ag2S 0.7770g，P2S50.2323g、AgI 0.4907g，將三種原料充分混合后制成混合料，將混合料置于球磨罐中。
[0031](2)、稱取二氧化鋯研磨球30g (球料比為20:1)于球磨罐中，同時(shí)量取研磨助劑正己烷4ml于球磨罐中，在氬氣氣氛保護(hù)下，密封球磨罐。
[0032](3)、將密封好的球磨罐放入高能球磨機(jī)(Fritsch Pulverisette 7)中，在轉(zhuǎn)速為600rpm的條件下，球磨15h，進(jìn)行高能球磨反應(yīng)。
[0033](4)、將球磨好的樣品取出，在真空環(huán)境下，以70°C的條件干燥6h，制得所述的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料。
[0034]將制得的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料進(jìn)行X射線衍射測試，對其中的物相進(jìn)行表征。通過壓片機(jī)壓片，將制得的非晶態(tài)材料壓制成為直徑為1.25cm，厚度為1.5mm的圓片，進(jìn)行阻抗測試。
[0035]圖1為制得的快離子導(dǎo)體材料的XRD圖譜，由圖中可知制得的快離子導(dǎo)體材料為非晶態(tài)物質(zhì)。圖2為制得的快離子導(dǎo)體材料在室溫下的交流阻抗譜，從曲線的拐點(diǎn)處可以知道該電解質(zhì)材料的電阻為375.7 Ω，經(jīng)公式σ =d/(RXA)計(jì)算，可知該電解質(zhì)材料的室溫離子電導(dǎo)率可達(dá)3.26X l(T4S/cm。
[0036]實(shí)施例3
[0037]本實(shí)施例提供一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料的制備方法，包括以下步驟:
[0038](I)、在氬氣氣氛保護(hù)的手套箱中，按照化學(xué)表達(dá)式為:20% Ag3PS4.80% AgI,其中，20%，80%為各化合物的摩爾百分含量；選取Ag2S、P2S5, AgI三種原料備用，其中Ag2S: P2S5= 3:1(摩爾比)，稱取 Ag 2S 0.3921g，P2S50.1172g、AgI 0.9906g，將三種原料充分混合后制成混合料，將混合料置于球磨罐中。
[0039](2)、稱取二氧化鋯研磨球30g (球料比為20:1)于球磨罐中，同時(shí)量取研磨助劑正己烷4ml于球磨罐中，在氬氣氣氛保護(hù)下，密封球磨罐。
[0040](3)、將密封好的球磨罐放入高能球磨機(jī)(Fritsch Pulverisette 7)中，在轉(zhuǎn)速為600rpm的條件下，球磨15h，進(jìn)行高能球磨反應(yīng)。
[0041](4)、將球磨好的樣品取出，在真空環(huán)境下，以70°C的條件干燥6h，制得所述的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料。
[0042]將制得的非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料進(jìn)行X射線衍射測試，對其中的物相進(jìn)行表征。通過壓片機(jī)壓片，將制得的非晶態(tài)材料壓制成為直徑為1.25cm，厚度為1.5mm的圓片，進(jìn)行阻抗測試。
[0043]圖1為制得的快離子導(dǎo)體材料的XRD圖譜，由圖中可知制得的快離子導(dǎo)體材料為非晶態(tài)物質(zhì)。圖2為制得的快離子導(dǎo)體材料在室溫下的交流阻抗譜，從曲線的拐點(diǎn)處可以知道該電解質(zhì)材料的電阻為138.4Ω，經(jīng)公式σ =d/(RXA)計(jì)算，可知該電解質(zhì)材料的室溫離子電導(dǎo)率可達(dá)8.84X l(T4S/cm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料，其特征在于，它的組成按化學(xué)式表示為:(10mol % -X) Ag3PS4.xAgl，其中，x = 10 ?85mol % 0
2.一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)選取原料:按照化學(xué)式(10mol%-X)Ag3PS4.xAgl，其中，x = 10?85mol% ;選取Ag2S, P2S5, AgI 三種原料備用，其中 Ag2S = P2S5= 3:1 ； 2)配料:在充滿惰性氣氛的環(huán)境中，將步驟I)中三種原料研磨，經(jīng)研磨混合制成配合料后，置于球磨罐中，同時(shí)，稱取適量研磨球，其中球料比為10:1?20:1，量取適量研磨助劑置于球磨罐中，并將球磨罐在惰性氣氛保護(hù)下密封； 3)將密封好的球磨罐置于球磨機(jī)中，將球磨罐以500?800rpm的轉(zhuǎn)速球磨多1h； 4)將球磨好的樣品置于真空環(huán)境中干燥制得所述的非晶態(tài)材料。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中的研磨助劑為正己烷或正庚燒，用量為3-5ml。
4.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中的球磨時(shí)間為10-15h。
5.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟4)的干燥溫度為60?80攝氏度，干燥時(shí)間為4?8h。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料及其制備方法，所述的新型非晶態(tài)快離子導(dǎo)體材料的組成按化學(xué)式表示為：(100mol％-x)Ag3PS4·xAgI，其中，x＝10～85mol％。具體制備方法為在具有氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)的手套箱內(nèi)，將三種反應(yīng)原材料Ag2S、P2S5、AgI混合均勻，加入二氧化鋯球置于球磨罐中，加入適量研磨助劑，在氮?dú)鈿夥障旅芊?，置于球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，然后將制得的樣品在真空條件下干燥，得到所述固體電解質(zhì)材料。該方法突破了同組分物質(zhì)以傳統(tǒng)熔融淬冷法難以形成非晶態(tài)材料的限制，且反應(yīng)條件溫和，制備工藝簡單易行，制備的樣品為非晶態(tài)材料，樣品室溫離子電導(dǎo)率較高，具有較好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
【IPC分類】H01B13-00, H01B1-10, H01B1-06
【公開號】CN104851473
【申請?zhí)枴緾N201510196875
【發(fā)明人】陶海征, 王鵬鵬, 喬昂, 鐘昌理, 岳遠(yuǎn)征
【申請人】武漢理工大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月23日