一种具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质及其制备方法技术

一种具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质及其制备方法，该固态电解质包括含锂硫银锗矿和掺杂物，所述掺杂物为如下金属/非金属的化合物中的一种或多种：Al，Zn，Bi，Te，Se，Ti，Mo，Mg，Si，Mn，Nb，Fe，所述化合物是氧化物或硫化物，或者所述掺杂物为磷酸锂五氧化二磷或硅酸锂类。由此，获得一种高耐热性、高稳定性及高离子传导性的硫化矿物质化合物固体电解质。

【技术实现步骤摘要】
一种具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质及其制备方法
本专利技术涉及固态电池的固态电解质，特别是涉及一种具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质及其制备方法。
技术介绍
固态电池是一种电池科技。与现今普遍使用的锂离子电池和锂离子聚合物电池不同的是，固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。固态电池一般功率密度较低，能量密度较高。由于固态电池的功率重量比较高，所以它是电动汽车很理想的电池。固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质，取代以往锂电池的电解液，提升锂电池的能量密度。固态电池的原理与传统的液态锂电池相同，只不过其电解质为固态，具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。不仅如此，固态电池中由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻重量。由于科学界认为锂离子电池已经到达极限，固态电池于近年被视为可以继承锂离子电池地位的电池。富锂固体化合物可以在固态电池中作为固体电解质。如中国专利CN101821199B记载，硫银锗矿类(Argyrodite)长久以来就是已知的并衍生自硫银锗矿Ag8GeS6，其由C.Winkler首次记载，且对其进行分析导致发现了锗。硫银锗矿家族由多于100种结晶固体组成，并包括例如其中银由铜代替、锗由镓或磷代替、以及硫由硒代替的那些固体化合物。例如，Nitsche、Kuhs、Krebs、Evain、Boucher、Pfitzner和Nilges尤其记载了化合物例如Cu9GaS6、Ag7PSe6和Cu8GaS5Cl，它们的固体结构衍生自硫银锗矿。该专利文献提供了一种可用于制备固体电解质的富锂-硫银锗矿。CN101821199B公开的内容以引用方式并入本文。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质，包括含锂硫银锗矿和掺杂物，所述掺杂物为如下金属/非金属的化合物中的一种或多种：Al，Zn，Bi，Te，Se，Ti，Mo，Mg，Si，Mn，Nb，Fe，所述化合物是氧化物或硫化物，或者所述掺杂物为磷酸锂五氧化二磷或硅酸锂类。进一步地：所述掺杂物包括Al2O3，含锂硫银锗矿按照如下配比掺杂Al2O3：其中Al2O3在2.5mol以上并且15mol以下，含锂硫银锗矿按Lix，6≤x≤8计在2.5mol以上并且15mol以下。所述掺杂物包括Al2O3与Ga2S/Ga2S3，优选两者质量比为1：1。所述含锂硫银锗矿的通式Li+12-n-xBn+X2-(6-x)Y-x，其中Bn+选自P、Ge、As、Ga、Sb、Si、Sn、Al、In、Ti、V、Nb和Ta，X2-选自S、Se、Te，Y选自Cl、Br、I、F、CN、OCN、SCN、N3，基数为0≤x≤2。所述含锂硫银锗矿为Li2S-SiS2或Li2S-GaS2或Li2S-SeS-BrS体系。所述含锂硫银锗矿的主要成分有Li2S和P2S5，组成式为Li7PS6。所述含锂硫银锗矿为Li6PS5Br或Li6PS5Cl或Li6PS5Cl，掺杂了Al2O3。一种制备所述的具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质的方法，包括将含锂硫银锗矿物和所述掺杂物进行混合来制备所述固态电解质，所述掺杂物优选包括Al2O3,混合采用干式混合粉碎，或还加入有机溶剂，优选乙醇，混合搅拌。混合时间在2～20小时范围内。一种固态电池，具有所述的具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供的具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质，不仅离子传导性高，且与水分或氧的反应性极高，可以显著改良固态电解质的耐水性和耐氧化性，是一种高耐热性、高稳定性及高离子传导性的硫化矿物质化合物固体电解质。本专利技术的具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质可用于电动汽车的高输出且高容量的全固态电池，作为全固态电池的固态电解质能够满足高输出、高容量、高安全性的需求，在电动汽车储能电池、深海大功率储能电池等方面用途具有很高的使用价值和很大的应用前景。具体实施方式以下对本专利技术的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。本专利技术实施例的固态电解质包括含锂硫银锗矿和掺杂物。在一些实施例中，含锂硫银锗矿的通式Li+12-n-xBn+X2-(6-x)Y-x，其中Bn+选自P、Ge、As、Ga、Sb、Si、Sn、Al、In、Ti、V、Nb和Ta，X2-选自S、Se、Te，Y选自Cl、Br、I、F、CN、OCN、SCN、N3，基数为0≤x≤2，具有硫银锗矿型晶体结构。在一些实施例中，固体颗粒半自形粒状结构，固体粒径400nm以下，具有良好的晶形和晶面，有着完好的八面体形态。在一些实施例中，含锂硫银锗矿为Li2S-SiS2或Li2S-GaS2或Li2S-SeS-BrS体系。在一些实施例中，含锂硫银锗矿的主要成分有Li2S和P2S5，组成式为Li7PS6。在一些实施例中，所述掺杂物可以为如下金属/非金属的化合物中的一种或多种：Al，Zn，Bi，Te，Se，Ti，Mo，Mg，Si，Mn，Nb，Fe，可以是氧化物或硫化物，如Al2O3，ZnS，Bi2O3，TeO2，SeO2，TiO2，Ga2S2，Ga2S3，优选为Al2O3。另一优选实施例中，包含质量比为1：1的Al2O3与Ga2S或Ga2S3。在另一些实施例中，所述掺杂物为非金属氧化物，如磷酸锂五氧化二磷，硅酸锂(Li3PO4)类，掺杂元素选用临界元素，既有金属性，也有一定非金属性，具有高耐热性及很好的稳定性。在特别优选的实施例中，含锂硫银锗矿掺杂Al2O3按照如下比例：Al2O3在2.5mol以上并且15mol以下，含锂硫银锗矿按Lix，6≤x≤8计在2.5mol以上并且15mol以下。本实施例Al2O3的含量在所述比例，可以得到高离子传导率，如Al2O3低于2.5mol的含量比例，则容易生成锂离子传导性低的正方晶相，如超过15mol的含量比例，则易生成锂离子传导率低的LiAlO3，从而离子传导率随之降低。本实施例的掺杂Al2O3的含锂硫银锗矿，在高温下烧结具有更高的烧结密度，且得到的固态电解质具有高离子传导率，用于制作固态电池可获得性能优异的全固态锂离子电池特性。优选的实施例的掺杂Al2O3的含锂硫银锗矿固态电解质的制备方法中，按照上述配比将含锂硫银锗矿物和Al2O3进行混合来制备，混合可以采用干式混合粉碎，也可以加入有机溶剂，优选乙醇，由于乙醇不易溶解锂，混合时间根据混合量而定，可以设定在2～20小时范围内。除Al2O3，还可一并掺杂石墨，优选Al2O3与石墨的质量比为1：1，在高温下可形成活性陶瓷层硫化物，提高耐热性及稳定性、离子传导性。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质，包括含锂硫银锗矿，其特征在于,还包括掺杂物，所述掺杂物为如下金属/非金属的化合物中的一种或多种：Al，Zn，Bi，Te，Se，Ti，Mo，Mg，Si，Mn，Nb，Fe，所述化合物是氧化物或硫化物，或者所述掺杂物为磷酸锂五氧化二磷或硅酸锂类。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质，包括含锂硫银锗矿，其特征在于,还包括掺杂物，所述掺杂物为如下金属/非金属的化合物中的一种或多种：Al，Zn，Bi，Te，Se，Ti，Mo，Mg，Si，Mn，Nb，Fe，所述化合物是氧化物或硫化物，或者所述掺杂物为磷酸锂五氧化二磷或硅酸锂类。


2.如权利要求1所述的具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质，其特征在于,所述掺杂物包括Al2O3，含锂硫银锗矿按照如下配比掺杂Al2O3：其中Al2O3在2.5mol以上并且15mol以下，含锂硫银锗矿按Lix，6≤x≤8计在2.5mol以上并且15mol以下。


3.如权利要求1或2所述的具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质，其特征在于,所述掺杂物包括Al2O3与Ga2S2/Ga2S3，优选两者质量比为1：1。


4.如权利要求1至3任一项所述的具有掺杂物的含锂硫银锗矿固态电解质，其特征在于,所述含锂硫银锗矿的通式Li+12-n-xBn+X2-(6-x)Y-x，其中Bn+选自P、Ge、As、Ga、Sb、Si、Sn、Al、In、Ti、V、Nb和Ta，X2-选自S、Se、Te，Y选自Cl、Br、I、F、CN、OCN、SCN...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘萍，刘丹，
申请(专利权)人：广东东邦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44