【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于固态电池的离子与电子混合导体相关申请的交叉引用本申请要求于2017年8月7日提交的美国申请No.62/542,010的优先权。关于联邦资助研究的说明本专利技术是在能源部授予的DE-AR0000653下由政府支持完成的。政府具有本专利技术中的某些权利。
技术介绍
1.专利
本专利技术涉及电化学设备，诸如锂离子电池电极，以及包括这些电极和固态电解质的固态锂离子电池。本专利技术还涉及制造这种电化学设备的方法。特别地，本专利技术涉及一种用于固态电化学设备的复合电极，其中该电极在电极活性材料相中提供电子和离子传导路径。2.相关技术说明锂离子(Li离子)电池技术显著进步，预计到2019年市场规模将达到105亿美元。该领域现状，锂离子电池包括两个电极(一个阳极和一个阴极)、一种防止电极接触但允许Li+离子通过的分离材料，以及一种电解质(含锂盐的有机液体)。在充电和放电过程中，Li+离子在电极之间交换。目前，最先进的Li离子技术在小批量生产的插电式混合动力车和生态高性能车中使用；然而，电气...
【技术保护点】
1.一种用于电化学设备的固态电解质，所述固态电解质包括：/n导电材料，包括具有晶体结构的陶瓷材料和所述晶体结构中的掺杂剂，所述导电材料具有锂离子导电率和导电材料电子导电率，其中所述导电材料电子导电率大于参考材料的参考电子导电率，所述参考材料包括具有所述晶体结构的所述陶瓷材料而在所述晶体结构中没有所述掺杂剂，/n其中所述陶瓷材料包括包含锂、镧和锆的氧化物，/n其中所述晶体结构为石榴石型或石榴石状晶体结构，并且/n其中所述掺杂剂选自由过渡金属离子及其混合物组成的群组。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170807 US 62/542,0101.一种用于电化学设备的固态电解质，所述固态电解质包括：
导电材料，包括具有晶体结构的陶瓷材料和所述晶体结构中的掺杂剂，所述导电材料具有锂离子导电率和导电材料电子导电率，其中所述导电材料电子导电率大于参考材料的参考电子导电率，所述参考材料包括具有所述晶体结构的所述陶瓷材料而在所述晶体结构中没有所述掺杂剂，
其中所述陶瓷材料包括包含锂、镧和锆的氧化物，
其中所述晶体结构为石榴石型或石榴石状晶体结构，并且
其中所述掺杂剂选自由过渡金属离子及其混合物组成的群组。
2.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述锂离子导电率大于10-5S/cm。
3.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述锂离子导电率大于10-4S/cm。
4.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
基于所述晶体结构中化学元素的总重量，所述掺杂剂以0.05到3的重量百分比存在于所述晶体结构中。
5.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-6S/cm。
6.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-5S/cm。
7.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-4S/cm。
8.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述陶瓷材料具有LiwAxM2Re3-yOz的通式
其中w为5-7.5，
其中A选自B、Al、Ga、In、Zn、Cd、Y、Sc、Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Fe及其任何组合，
其中x为0-2，
其中M选自Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Sn、Ge、Si、Sb、Se、Te及其任何组合，
其中Re选自镧系元素、锕系元素及其任何组合，
其中y为0-0.75，并且
其中z为10.875-13.125。
9.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述陶瓷材料具有Li7La3Zr2O12的所述通式。
10.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述陶瓷材料具有Li6.25La2.7Zr2Al0.25O12±δ的所述通式，并且δ为0.125。
11.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述掺杂剂选自由Co、Mn、Cr、V、Ti、Mo、Ni、Cu、Zn、W、Bi、Sn、Pb、Cd、Sc、Y、Mg、Ca、Sr、Ba、Fe的离子及其混合物组成的群组。
12.如权利要求1所述的固态电解质，其特征在于：
所述掺杂剂包括钴离子。
13.一种用于电化学设备的电极，所述电极包括：
锂主体材料；以及
固态导电材料，包括具有晶体结构的陶瓷材料和所述晶体结构中的掺杂剂，所述导电材料具有锂离子导电率和导电材料电子导电率，其中所述导电材料电子导电率大于参考材料的参考电子导电率，所述参考材料包括具有所述晶体结构的所述陶瓷材料而在所述晶体结构中没有所述掺杂剂，所述导电材料填充所述锂主体材料的结构的至少部分。
14.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述陶瓷材料包括包含锂、镧和锆的氧化物，
所述晶体结构为石榴石型或石榴石状晶体结构，并且
所述掺杂剂选自由过渡金属离子及其混合物组成的所述群组。
15.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述锂离子导电率大于10-5S/cm。
16.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述锂离子导电率大于10-4S/cm。
17.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
基于所述晶体结构中化学元素的总重量，所述掺杂剂以0.05到3的重量百分比存在于所述晶体结构中。
18.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-6S/cm。
19.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-5S/cm。
20.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-4S/cm。
21.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述陶瓷材料具有LiwAxM2Re3-yOz的通式
其中w为5-7.5，
其中A选自B、Al、Ga、In、Zn、Cd、Y、Sc、Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Fe及其任何组合，
其中x为0-2，
其中M选自Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Sn、Ge、Si、Sb、Se、Te及其任何组合，
其中Re选自镧系元素、锕系元素及其任何组合，
其中y为0-0.75，并且
其中z为10.875-13.125。
22.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述陶瓷材料具有Li7La3Zr2O12的所述通式。
23.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述陶瓷材料具有Li6.25La2.7Zr2Al0.25O12±δ的所述通式，并且δ为0.125。
24.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述掺杂剂选自由Co、Mn、Cr、V、Ti、Mo、Ni、Cu、Zn、W、Bi、Sn、Pb、Cd、Sc、Y、Mg、Ca、Sr、Ba、Fe的离子及其混合物组成的群组。
25.如权利要求13所述的电极，其特征在于：
所述掺杂剂包括钴离子。
26.一种电化学设备，包括：
阴极，包括锂主体材料；
阳极，包括锂金属、或锂主体材料；
固态电解质，被配置为促进离子在所述阳极和所述阴极之间的迁移；以及
固态导电材料，包括具有晶体结构的陶瓷材料和所述晶体结构中的掺杂剂，所述导电材料具有锂离子导电率和电子导电率，其中所述导电材料的所述电子导电率大于参考材料的参考电子导电率，所述参考材料包括具有所述晶体结构的所述陶瓷材料而在所述晶体结构中没有所述掺杂剂，所述导电材料填充所述阴极的所述锂主体材料的第一结构或所述阳极的所述锂主体材料的第二结构中的至少一个的至少部分。
27.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述陶瓷材料包括包含锂、镧和锆的氧化物，
所述晶体结构为石榴石型或石榴石状晶体结构，并且
所述掺杂剂选自由过渡金属离子及其混合物组成的所述群组。
28.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述锂离子导电率大于10-5S/cm。
29.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述锂离子导电率大于10-4S/cm。
30.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
基于所述晶体结构中化学元素的总重量，所述掺杂剂以0.05到3的重量百分比存在于所述晶体结构中。
31.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-6S/cm。
32.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-5S/cm。
33.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述导电材料电子导电率大于10-4S/cm。
34.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述陶瓷材料具有LiwAxM2Re3-yOz的通式
其中w为5-7.5，
其中A选自B、Al、Ga、In、Zn、Cd、Y、Sc、Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Fe及其任何组合，
其中x为0-2，
其中M选自Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Sn、Ge、Si、Sb、Se、Te及其任何组合，
其中Re选自镧系元素、锕系元素及其任何组合，
其中y为0–0.75，
其中z为10.875-13.125，并且
其中所述晶体结构为石榴石型或石榴石状晶体结构。
35.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述陶瓷材料具有Li7La3Zr2O12的所述通式
36.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述陶瓷材料具有Li6.25La2.7Zr2Al0.25O12±δ的所述通式，并且δ为0.125。
37.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
其中所述掺杂剂选自由Co、Mn、Cr、V、Ti、Mo、Ni、Cu、Zn、W、Bi、Sn、Pb、Cd、Sc、Y、Mg、Ca、Sr、Ba、Fe的离子及其混合物组成的群组。
38.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述掺杂剂包括钴离子。
39.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述导电材料填充所述第一结构的至少部分。
40.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述导电材料填充所述第二结构的至少部分。
41.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述阴极的所述锂主体材料选自由锂金属氧化物以及具有通式LiMPO4的含锂磷酸盐组成的群组，其中所述金属为铝、钴、铁、锰、镍和钒中的一种或多种，其中M为钴、铁、锰和镍中的一种或多种，并且
所述导电材料填充所述第一结构的至少部分。
42.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述阴极的所述锂主体材料选自由锂钴氧化物组成的群组，并且
所述导电材料填充所述第一结构的至少部分。
43.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述阴极的所述锂主体材料选自由锂镍锰钴氧化物组成的群组，并且
所述导电材料填充所述第一结构的至少部分。
44.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述阴极的所述锂主体材料选自由锂镍钴铝氧化物组成的群组，并且
所述导电材料填充所述第一结构的至少部分。
45.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述阳极包括所述阳极的所述锂主体材料；，
所述阳极的所述锂主体材料选自由石墨、锂金属、锂钛氧化物、硬碳、锡/钴合金或硅/碳组成的群组，并且
所述导电材料填充所述第二结构的至少部分。
46.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述阳极包括锂金属。
47.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述固态电解质包括选自具有石榴石、钙钛矿、NaSICON和LiSICON相或聚合物的任何组合氧化物或磷酸盐材料组成的群组的固体电解质材料。
48.如权利要求47所述的电化学设备，其特征在于：
所述固体电解质材料具有LiwAxM2Re3-yOz的通式
其中w为5-7.5，
其中A选自B、Al、Ga、In、Zn、Cd、Y、Sc、Mg、Ca、Sr、Ba、Co、Fe及其任何组合，
其中x为0-2，
其中M选自Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Sn、Ge、Si、Sb、Se、Te及其任何组合，
其中Re选自从镧系元素、锕系元素及其任何组合，
其中y为0-0.75，
其中z为10.875-13.125，并且
其中所述晶体结构为石榴石型或石榴石状晶体结构。
49.如权利要求26所述的电化学设备，其特征在于：
所述阴极包括集电器，所述集电器被配置为将所述电化学设备与给所述电池放电的电气负载或给所述电池充电的充电器进行电气通信。
50.一种用于形成固体电解质材料的方法，所述方法包括：
(a)将第一固体、第二固体、第三固体以及第四固体混合以形成混合物，所述第一固体包括氧化锂或锂盐，所述第二固体包括氧化镧或镧盐，所述第三固体包括氧化锆或锆盐，所述第四固体包括过渡金属、过渡金属氧化物或过渡金属盐；以及
(b)煅烧所述混合物以形成具有锂离子导电率和固体电解质材料电子导电率的...
【专利技术属性】
技术研发人员：J·坂本，T·汤普森，N·泰勒，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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