一种Li制造技术

本发明专利技术属于全固态锂离子电池领域，更具体地，涉及一种Li

A kind of Li

【技术实现步骤摘要】
一种Li6PS5Br固态电解质、其制备和应用
本专利技术属于全固态锂离子电池领域，更具体地，涉及一种Li6PS5Br固态电解质、其制备和应用。
技术介绍
锂离子电池目前已经占据了我国的电动汽车市场，也有可能将大规模应用于电网储能市场，是解决目前能源问题的关键技术之一。在电动汽车中，能量密度是动力电池性能的第一指标，而储能电池则更看重成本与安全性。同时，随着电动车销量的增长，自燃爆炸等安全事故发生的频次也明显增加，安全性问题已经成为了阻碍锂离子电池进一步应用和发展的关键性问题。安全性问题产生的主要原因是锂离子电池中使用了易燃的有机电解液。全固态电池借助固态电解质进行离子传导，其相比传统的液态电池不易燃、不挥发，电池的安全性得到大幅提高。因此得到了学术界和产业界的广泛关注，被认为最有潜力的下一代锂离子电池技术之一。全固态电池和传统的锂离子电池相比，除了安全性好之外，还可能突破现有电池体系的能量密度限制，同时具有温度适应性好等优点。固态电解质是全固态电池的关键材料，其性能在很大程度上决定了全固态电池的循环稳定性、倍率性能、安全性和使用寿命等。全固态电池研究的核心就是要找到高离子电导率且电化学稳定的固态电解质和探索让电解质与电极间的固-固界面稳定的方法。而目前大部分的固态电解质都有离子电导率不够高、电化学窗口不够稳定以及各种界面问题，这些问题使目前的全固态电池的综合性能还无法满足应用的需求，也没有可以推出的市场化产品。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种Li6PS5Br固态电解质、其制备和应用，其通过采用Al、B、Si、Fe、Ge和Sn中的至少一种元素的离子取代Li6PS5Br固态电解质中Li+在其晶体结构中的位置，通过缩短晶体结构中的离子跳跃路径提高该电解质的离子电导率，由此解决现有技术Li6PS5Br固态电解质离子电导率较低的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种固态电解质，该固体电解质的化学式为Li6–nxMxPS5Br，其中，n为2、3或4；M为Al、B、Si、Fe、Ge、Sn中的至少一种，0.05≤x≤0.3；M元素的化合价为+n价；该固态电解质的晶体结构具有立方体晶型的空间群，Br和S占据了立方体的顶点和面心，四面体PS4占据了立方体各条边的中点以及立方体的体心；立方体的内部还有四个独立的S原子，每一个所述独立的S原子的周围有18个空位，且部分空位被Li+或Mn+占据。优选地，M为Al。优选地，x的范围为0.15≤x≤0.25。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的固态电解质的制备方法，包括如下步骤：(1)将Li2S、P2S5、LiBr与含有M元素的原料按照Li6–nxMxPS5Br的化学组成中的摩尔比混合，得到混合原料；其中，n为2、3或4；M为Al、B、Si、Fe、Ge、Sn中的至少一种，0.05≤x≤0.3；所述含有M元素的原料为M元素的硫化物或单质；；(2)将混合原料在400℃～600℃的无氧条件下进行固相合成，得到Li6–nxMxPS5Br，其晶体结构满足空间群；无氧条件为小于100Pa的真空条件。优选地，所述固相合成的时间为8h～24h。优选地，步骤(1)所述混合为研磨混合或球磨混合。优选地，步骤(1)采用球磨混合，球磨的转速为200r/min～400r/min，球磨的时间为10h～20h。优选地，步骤(2)所述混合原料进行固相合成之前，还包括步骤：将所述混合原料压制成片状。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的固态电解质的应用，用于制备固态锂离子电池。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种固态锂离子电池，包括所述的固态电解质。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术通过将Al、B、Si、Fe、Ge、Sn元素部分取代Li6PS5Br中的Li，能得到一种新的具有较高离子电导率的固体电解质材料Li6–nxMxPS5Br，通过缩短晶体结构中的离子跳跃路径提高该电解质的离子电导率，且相对锂金属负极较稳定，进而解决现有技术存在的全固态电池内阻较高、对金属锂负极不稳定导致的循环稳定性较差的问题。(2)本专利技术提供的固体电解质材料Li6–nxMxPS5Br中0.05≤x≤0.3，x的范围优选为0.15≤x≤0.25，能保证M少量取代母相Li6PS5Br中的Li而生产高离子电导率的空间群为的Li6–nxMxPS5Br(n＝2,3,4)，又能防止M元素过量生产杂质。(3)本专利技术优选实施例中采用一定含量的Al取代M时，其得到的电解质室温下离子电导率达到2.4×10–3S/cm，相对于Li6PS5Br的0.9×10–3S/cm提升近3倍。附图说明图1为本专利技术Li6–nxMxPS5Br(n＝2,3,4)晶体结构示意图；图2为本专利技术实施例1、4、6、9、12的XRD和对比例1的XRD；图3为本专利技术Li6–nxMxPS5Br(n＝2,3,4)电解质晶体结构中的离子跳跃路径示意图。图4为本专利技术实施例1作为固体电解质在全固态锂电池中的充放电曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。一种Li6PS5Br固态电解质，该固体电解质的化学式为Li6–nxMxPS5Br，其中，n为2、3或4；M为Al、B、Si、Fe、Ge、Sn中的至少一种，0.05≤x≤0.3；M元素的化合价为+n价。该固态电解质的晶体结构具有立方体晶型的空间群，Br和S占据了立方体的顶点和面心，四面体PS4占据了立方体各条边的中点以及立方体的体心；立方体的内部还有四个独立的S原子，每一个所述独立的S原子的周围有18个空位，且部分空位被Li+或Mn+占据。优选地实施例中，M为Al。优选实施例中x的范围为0.15≤x≤0.25。进一步优选的实施例中，所述x为0.2。本专利技术还提供了所述的固态电解质的制备方法，包括如下步骤：(1)将Li2S、P2S5、LiBr与含有M元素的原料按照Li6–nxMxPS5Br的化学组成中的摩尔比混合，得到混合原料；其中，n为2、3或4；M为Al、B、Si、Fe、Ge、Sn中的至少一种，0.05≤x≤0.3；所述含有M元素的原料为M元素的硫化物或单质；比如一些实施例中，M为Si时，对应采用的含有M元素的原料为SiS2M为B时，对应采用的含有M元素的原料为B单质。(2)将混合原料在400℃～600℃的无氧条件下进行固相合成，得到Li6–nxMxPS5Br，其晶体结构满足空间群；无氧条件为小于100Pa的真空条件。采用上述方法获得的产物，如图1所示，在使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态电解质，其特征在于，该固体电解质的化学式为Li

【技术特征摘要】
1.一种固态电解质，其特征在于，该固体电解质的化学式为Li6–nxMxPS5Br，其中，n为2、3或4；M为Al、B、Si、Fe、Ge、Sn中的至少一种，0.05≤x≤0.3；M元素的化合价为+n价；
该固态电解质的晶体结构具有立方体晶型的空间群，Br和S占据了立方体的顶点和面心，四面体PS4占据了立方体各条边的中点以及立方体的体心；立方体的内部还有四个独立的S原子，每一个所述独立的S原子的周围有18个空位，且部分空位被Li+或Mn+占据。


2.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，M为Al。


3.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于，x的范围为0.15≤x≤0.25。


4.如权利要求1至3任一项所述的固态电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将Li2S、P2S5、LiBr与含有M元素的原料按照Li6–nxMxPS5Br的化学组成中的摩尔比混合，得到混合原料；其中，n为2、3或4；M为Al、B、Si、Fe、Ge、Sn中的至少一种，0.05≤x...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢佳，张卓然，彭林峰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42