一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料及其制备方法和应用。所述卤化物固态电解质材料的化学式为Li3‑

【技术实现步骤摘要】
一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电解质材料
，具体涉及一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和环境友好等优点得到快速发展，已经被广泛应用于电动汽车、航空航天以及便携式设备等领域。然而，传统锂离子电池中使用的有机电解液易发生有机溶剂泄露、燃烧和爆炸等问题，存在较大的安全隐患。使用不易燃烧的固态电解质完全替代有机液态电解质可从根本上解决锂离子电池安全问题，同时全固态电池可通过双极内串来简化电池结构，增加活性物质占比，从而提升电池的体积利用率和能量密度，因此，发展全固态电池已成为下一代电池的重要技术方向之一。
[0003]目前，常见的固态电解质主要包括聚合物固态电解质、氧化物固态电解质、硫化物固态电解质及卤化物固态电解质。其中，聚合物电解质柔韧性优异，与电极间界面接触良好，但其室温离子电导率较低，难以实现全固态电池的进一步应用。氧化物电解质具有较高的离子电导率、较宽的电化学稳定窗口和优异的热稳定性，但其较差的刚性使得与电极间的有效接触非常困难，阻碍了界面之间的离子传输。硫化物基无机电解质因其具有超高的离子电导率、低加工温度和低刚性特性而备受关注，其离子电导率接近甚至超过了有机液态电解质的离子电导率，但硫化物对H2O和O2比较敏感，其极易与空气中的水分反应生产H2S，进而破坏电解质。近年来，卤化物固态电解质因其良好的机械性能、高离子电导率及高压稳定性，且暴露于周围环境时不会释放有害气体等优点而备受关注。
[0004]当前常用的卤化物固态电解质仍然存在离子电导率偏低和与锂金属负极结构不稳定的问题，并且像Li3InCl6和Li3ScCl6卤化物电解质中含有的稀土元素及其原料无水InCl3和无水ScCl3等均有着极高的成本。
[0005]因此，在本领域中，因此需要开发一种卤化物电解质，其结构中的金属元素应有着较高的丰度及较低的成本，并且对空气稳定性良好。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料及其制备方法和应用。本专利技术在卤化物固态电解质中掺杂特定种类的金属元素，来调节卤化物固态电解质的晶格参数和改善锂离子传输通道，从而提升卤化物固态电解质的离子电导率和降低电解质成本，并将该卤化物固态电解质粉体通过干法成膜应用于全固态软包电池中，降低电池的界面阻抗，以提升电池性能。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料，所述卤化物固态电解质材料的化学式为Li3‑
my
M1‑
y
N
y
X6，其中，M选自IIIB族元素和/或IIIA族元素，N选
自IA族元素、IIA族元素、IVA族元素、VA族元素、IB族元素、IIB族元素、IIIB族元素、IVB族元素、VB族元素、VIB族元素、VIIB族元素或VIII族元素中的至少一种，X选自F、Cl、Br或I中的至少一种；m的取值范围为0≤m≤1，y的取值范围为0<y≤1。
[0009]在本专利技术中，m的取值范围为0≤m≤1，例如m可以为0、1，y的取值范围为0<y≤1，例如y可以为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8或1，出于篇幅简洁的考虑，对上述范围内m和y的数值不再一一列举。
[0010]本专利技术通过掺杂特定种类的金属元素能够有效调节卤化物固态电解质的晶格参数、改善锂离子传输通道和提升离子电导率，同时被金属元素掺杂的卤化物电解质材料具有良好的空气稳定性和结构稳定性，在
‑
40℃露点环境下能够保持长时间的化学稳定性。尤其是当N为+4价金属元素时，进行掺杂取代+3价M金属时，会增加晶格中的空穴，起到促进锂离子的传输作用；N为+2价金属元素时，进行掺杂取代+3价M金属时，会增加锂离子数目，进而提升离子电导率。
[0011]优选地，所述M选自Sc、Y、Al、In或Ga中的至少一种，N选自Fe、Zn、Ge、Zr、Ca、Mg、Ba、Bi、Ti、V、Cr、Co、Mn、Ni、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Sn或镧系元素中的至少一种。
[0012]优选地，所述M选自IIIB族元素和/或IIIA族元素，N选自IVB族元素、VIIB族元素或VIII族元素中的至少一种，X为Cl。
[0013]在本专利技术中，M和N选择上述特定种类的元素，其具有良好的空气稳定性和结构稳定性的优势。
[0014]优选的，M选自Y和/或In，N选自Zr、Fe或Mn中的至少一种。
[0015]优选地，所述卤化物固态电解质材料包括Li
2.5
Y
0.5
Zr
0.5
Cl6、Li
2.9
In
0.9
Zr
0.1
Cl6、Li
2.4
Y
0.4
Mn
0.6
Cl6、Li
2.8
In
0.8
Mn
0.2
Cl6、Li3Y
0.55
Fe
0.45
Cl6或Li3In
0.75
Fe
0.25
Cl6中的至少一种。
[0016]在本专利技术中，通过调整金属元素的种类以及各元素的原子比，使得其能够调节卤化物固态电解质的晶格参数、改善锂离子传输通道和提升离子电导率。
[0017]第二方面，本专利技术提供了一种制备根据第一方面所述的被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料的方法，所述方法包括以下步骤：
[0018]将含锂卤化物、含M卤化物和含N卤化物进行混合和球磨，得到前驱体材料，而后将前驱体材料进行焙烧，冷却后得到所述被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料。
[0019]本专利技术通过固相法掺杂改性制备一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料，无需添加溶剂，避免卤化物固态电解质发生副反应。
[0020]优选地，所述含锂卤化物包括氟化锂、氯化锂、溴化锂或碘化锂中的至少一种。
[0021]优选的，所述含M卤化物包括ScCl3、YCl3、AlCl3、InCl3或GaCl3中的至少一种。
[0022]优选的，所述含N卤化物包括FeCl2、FeCl3、ZnCl2、GeCl4、ZrCl4、CaCl2、MgCl2、BaCl2、BiCl3、TiCl4、VCl5、CrCl6、CoCl4、MnCl4、NiCl2、NbCl5、MoCl3、TcCl4、RuCl4、RhCl2、PdCl4、CdCl2、AgCl2、HfCl4、TaCl5、WCl4、ReCl4、OsCl4、IrCl4、SnCl2或含镧系元素的卤化物中的至少一种。
[0023]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料，其特征在于，所述卤化物固态电解质材料的化学式为Li3‑
my
M1‑
y
N
y
X6，其中，M选自IIIB族元素和/或IIIA族元素，N选自IA族元素、IIA族元素、IVA族元素、VA族元素、IB族元素、IIB族元素、IIIB族元素、IVB族元素、VB族元素、VIB族元素、VIIB族元素或VIII族元素中的至少一种，X选自F、Cl、Br或I中的至少一种；m的取值范围为0≤m≤1，y的取值范围为0<y≤1。2.根据权利要求1所述的卤化物固态电解质材料，其特征在于，所述M选自Sc、Y、Al、In或Ga中的至少一种，N选自Fe、Zn、Ge、Zr、Ca、Mg、Ba、Bi、Ti、V、Cr、Co、Mn、Ni、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Sn或镧系元素中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的卤化物固态电解质材料，其特征在于，所述M选自IIIB族元素和/或IIIA族元素，N选自IVB族元素、VIIB族元素或VIII族元素中的至少一种，X为Cl；优选的，M选自Y和/或In，N选自Zr、Fe或Mn中的至少一种。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的卤化物固态电解质材料，其特征在于，所述卤化物固态电解质材料包括Li
2.5
Y
0.5
Zr
0.5
Cl6、Li
2.9
In
0.9
Zr
0.1
Cl6、Li
2.4
Y
0.4
Mn
0.6
Cl6、Li
2.8
In
0.8
Mn
0.2
Cl6、Li3Y
0.55
Fe
0.45
Cl6或Li3In
0.75
Fe
0.25
Cl6中的至少一种。5.一种制备根据权利要求1
‑
4中任一项所述的被金属元素掺杂的卤化物固态电解质材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将含锂卤化物、...

【专利技术属性】
技术研发人员：董洁，陈规伟，冀亚娟，
申请(专利权)人：惠州亿纬锂能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：