固体电解质和锂离子导电玻璃陶瓷制造技术

本发明专利技术涉及一种用于制备包括锂离子导电玻璃陶瓷的固体电解质的方法，所述方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
固体电解质和锂离子导电玻璃陶瓷


[0001]本专利技术涉及一种用于制备包含锂离子导电玻璃陶瓷的固体电解质的方法。
[0002]本专利技术还涉及一种包含至少一种锂离子导体的锂离子导电玻璃陶瓷粉末。
[0003]本专利技术还涉及一种固体电解质。
[0004]本专利技术甚至还涉及一种包括至少一个电池组件的电池，优选为全固态电池或锂空气电池。
[0005]本专利技术甚至还涉及一种用于制备包含锂离子导电玻璃陶瓷的固体电解质的系统。

技术介绍

[0006]电池(例如，锂离子电池)用于许多不同的设备中，特别是用于便携式设备(如笔记本电脑、智能手机等)中，为这些设备提供电能。同时，锂离子电池也用于电动汽车中，为发动机(即一台或多台电动机)提供电能。虽然常规的锂离子电池已经具有较高的能量密度，但其所提供的能量密度对于实现与内燃机的行使里程相当的较大的行使里程来说还是太低。已知的锂离子电池已经具有接近理论最大值的能量密度。固态电池可能有潜力克服目前的锂离子电池的局限性。用固体电解质代替液体电解质可以实现新型高能量密度电极材料，如锂金属阳极。为了获得良好的电池性能，固体电解质的高的离子电导率是很重要的。因此，另一个关注点是基于锂离子的电池的电导率仍然很低。
[0007]在德国专利申请DE 10 2017 128 719 A1中，提供了一种锂离子导电复合材料及其制备方法。所述复合材料包括至少一种聚合物和锂离子导电颗粒。所述颗粒的球形度为至少0.7。所述复合材料包含至少20体积％的粒径分布的多分散性指数PI<0.7的颗粒，或者多分散性指数范围为0.7至<1.2的颗粒存在于至少30体积％的复合材料中，或者多分散性指数>1.2的颗粒存在于至少40体积％的复合材料中。
[0008]在德国专利申请DE 10 2018 102 387 B3中，示出了一种锂离子导电玻璃陶瓷，其包括同样是离子导电的残余玻璃相，其制备方法及其在电池中的用途。所述玻璃陶瓷包含与NaSICon晶相同构(isostructural)的主晶相，其中，所述组合物可用下式描述：Li
1+x
‑
y
M
y5+
M
x3+
M2‑
x
‑
y4+
(PO4)3，其中x大于0且至多为1，并且大于y。y可以取0和1之间的值。这里，必须满足以下边界条件：1+x
‑
y>1。这里，M表示+3价、+4价或+5价的阳离子。M
3+
选自Al、Y、Sc或B，其中至少存在Al作为三价阳离子。相对其独立地，M
4+
选自Ti、Si或Zr，其中至少存在Ti作为四价阳离子。相对其独立地，M
5+
选自Nb、Ta或La。
[0009]在德国专利申请DE 10 2014 100 684 A1中，公开了一种含有锂离子并且具有类石榴石主晶相的玻璃陶瓷，所述类石榴石主晶相具有至少5％的非晶比例。类石榴石主晶相优选具有化学式Li
7+x
‑
y
M
IIx
M
III3
‑
x
M
IV2
‑
y
M
Vy
O
12
，其中，M
II
为二价阳离子，M
III
为三价阳离子，M
IV
为四价阳离子，M
V
为五价阳离子。玻璃陶瓷优选在凝壳炉内通过熔融技术制备并且其离子电导率为至少5
·
10
‑5S/cm，优选至少1
·
10
‑4S/cm。
[0010]因此，本专利技术的实施例解决了一个问题，即提供更高电导率的锂离子导电玻璃陶瓷、固体电解质和电池。本专利技术的实施例解决了另一个问题，即提供成本有效的制备方法和
相应的系统。本专利技术的实施例解决了又一个问题，即提供可替代的锂离子导电玻璃陶瓷、可替代的固体电解质和可替代的电池以及可替代的制备方法以及可替代的系统。

技术实现思路

[0011]在一个实施例中，本专利技术提供了一种用于制备包含锂离子导电玻璃陶瓷的固体电解质的方法，所述方法包括以下步骤：
‑
提供具有陶瓷相含量和非晶相含量的至少一种锂离子导体；
‑
提供所述至少一种锂离子导体的粉末，所述粉末的多分散性指数在0.5和1.5之间，优选在0.8和1.3之间，优选在0.85和1.15之间；以及a)将所述粉末掺入聚合物电解质或聚电解质中；和/或b)使用所述粉末形成元件。
[0012]在另一个实施例中，本专利技术提供了一种包含至少一种锂离子导体的锂离子导电玻璃陶瓷粉末，所述至少一种离子导体包含陶瓷相含量和非晶相含量，其中，所述至少一种离子导体具有多分散性指数在0.5和1.5之间，优选在0.8和1.3之间，优选在0.85和1.15之间的所述粉末。
[0013]在另一个实施例中，本专利技术提供了一种利用根据权利要求1
‑
7中任一项所述的方法制备的固体电解质。
[0014]在另一个实施例中，本专利技术提供了一种包括至少一个电池组件的电池，优选为全固态电池或锂空气电池，所述至少一个电池组件包括根据权利要求15所述的固体电解质。
[0015]在另一个实施例中，本专利技术提供了一种用于制备包括锂离子导电玻璃陶瓷的固体电解质的系统，所述系统优选利用根据权利要求1
‑
6中任一项所述的方法进行，所述系统包括：第一提供实体，其适于提供具有陶瓷相含量和非晶相含量的至少一种锂离子导体；第二提供实体，其适于提供所述至少一种锂离子导体的粉末，所述粉末的多分散性指数在0.5和1.5之间，优选在0.8和1.3之间，优选在0.85和1.15之间；以及a)掺入实体，其适于将所述粉末掺入聚合物电解质或聚电解质中；和/或b)成型实体，其适于使用所述粉末形成元件。
[0016]本专利技术的一个优点在于，与常规的锂离子导体玻璃陶瓷相比，可以获得锂离子导体玻璃陶瓷的更高电导率，尤其是可以获得更高的晶芯电导率(grain
‑
core conductivity)。
[0017]与粒径分布相关的术语“多分散性指数”应被理解为直径分布的d
90
值和d
10
值的商的常用对数(以10为底的对数)：PI＝log(d
90
/d
10
)。
[0018]作为d
90
值和d
10
值的基础的术语“d值”按如下方式测定：
[0019]粉末颗粒与其实际球形度无关，通常借助必须测量的体积等效球体直径进行区分，并且根据其尺寸按序排到所选类别中。为了表示粒径分布，确定粉末中存在的颗粒相应类别的数量百分比。
[0020]这使用不同的参量类型来完成。如果对所述颗粒进行计数，则参量类型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制备包含锂离子导电玻璃陶瓷的固体电解质的方法，所述方法包括以下步骤：
‑
提供具有陶瓷相含量和非晶相含量的至少一种锂离子导体；
‑
提供所述至少一种锂离子导体的粉末，所述粉末的多分散性指数在0.5和1.5之间，优选在0.8和1.3之间，优选在0.85和1.15之间；以及a)将所述粉末掺入聚合物电解质或聚电解质中；和/或b)使用所述粉末形成元件。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤b)之前，进行步骤c)：压制所述粉末以获得作为所述元件的前体的丸粒。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤b)之前，进行步骤d)：将所述粉末掺入陶瓷前体组合物，优选泥浆中，优选地，其中，在步骤d)中，添加至少一种粘合剂。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的方法，其中，对所述元件进行烧结。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的方法，其中，提供所述至少一种锂离子导体，其包含以下各项中的至少一种：
‑
具有石榴石型结构的一种或多种锂离子导体，优选LLZO、锂铌石榴石、锂钽石榴石和/或锂铝石榴石，优选符合通式：Li7‑
3x+y'+2y
”‑
z'
‑
2z”Al
x3+
La3‑
y
‑
y'
‑
y”M
y3+
M
y'2+
M
y”1+
Zr2‑
z
‑
z'
‑
z”M
z4+
M
z'5+
M
z”6+
O
12+/
‑
δ
，其中，M
3+
表示除Al
3+
外的离子半径小于La
3+
的一种或多种三价阳离子，M
2+
表示一种或多种二价阳离子，M
1+
表示除Li
+
外的一种或多种一价阳离子，M
4+
表示除Zr
4+
外的一种或多种四价阳离子，M
5+
表示一种或多种五价阳离子，M
6+
表示一种或多种六价阳离子，并且0.1≤x<1，0<y<2，0≤y'<0.2，0≤y”<0.2，0≤y'+y”<0.2，0≤z<0.5，0≤z'<0.8，0≤z”<0.5，0≤δ<2；
‑
具有NASICON型结构的一种或多种锂离子导体，优选LATP
‑
Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
P3O
12
、LAGP
‑
Li
1.5
Al
0.5
Ge
1.5
(PO4)3或其任意组合；
‑
具有钙钛矿型结构的一种或多种锂离子导体，优选LLT
‑
Li
3x
La
2/3
‑
x
TiO3；
‑
具有尖晶石结构的一种或多种锂离子导体；以及
‑
具有LISICON型结构的一种或多种锂离子导体，优选锗酸锂锌。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的方法，其中，所述陶瓷相含量是所述锂离子导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：肖特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：