锂-金属氧化物/石榴石复合薄膜及其制造方法技术

烧结复合陶瓷，包括：锂

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂
‑
金属氧化物/石榴石复合薄膜及其制造方法
[0001]本申请依据35U.S.C.
§
119要求于2020年8月21日提交的系列号为63/068,506的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。
[0002]背景
1.

[0003]本公开涉及具改进的临界电流密度(CCD)的锂
‑
石榴石复合陶瓷电解质。
[0004]2.技术
[0005]常规的锂(Li)离子电池已经得到了广泛的研究，但是仍具有有限的电容密度、能量密度和安全性问题，从而对在电力设备中大规模应用带来挑战。例如，虽然基于Li
‑
石榴石电解质(LLZO)的固态锂电池解决了安全性问题，但是由于石榴石的刚性陶瓷性质和差的锂润湿性导致的Li阳极与石榴石电解质之间的接触不充分，以及表面杂质常导致大的极化和大的界面阻力，从而造成锂的不均匀沉积和锂枝晶的形成。
[0006]因此，由于锂阳极与石榴石电解质之间的不良接触，电池可能经历低的临界电流密度(CCD)并最终短路。
[0007]本申请公开了用于在固态锂金属电池应用中增强Li
‑
石榴石电解质的晶界结合的改进的锂
‑
石榴石复合陶瓷电解质。

技术实现思路

[0008]在一些实施方式中，一种烧结复合陶瓷，包含：锂
‑
石榴石主相；以及锂枝晶生长抑制剂次相，其中锂枝晶生长抑制剂次相包含，基于烧结复合陶瓷的总重量计的＞0r/>‑
10重量％的范围中的Li
‑
金属氧化物。
[0009]在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，锂
‑
石榴石主相包含下列的至少一者：(i)Li7‑
3a
La3Zr2L
a
O
12
，其中L＝Al、Ga或Fe及0＜a＜0.33；(ii)Li7La3‑
b
Zr2M
b
O
12
，其中M＝Bi、Ca或Y及0＜b＜1；(iii)Li7‑
c
La3(Zr2‑
c
,N
c
)O
12
，其中N＝In、Si、Ge、Sn、Sb、Sc、Ti、Hf、V、W、Te、Nb、Ta、Al、Ga、Fe、Bi、Y、Mg、Ca或其组合及0＜c＜1，或者它们的组合。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，锂
‑
石榴石主相包含：Li7‑
c
La3(Zr2‑
c
,N
c
)O
12
，其中N＝Ta、Ga、W或其组合，及0＜c＜1。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，Li
‑
金属氧化物包含：Li
‑
硅酸盐、Li
‑
镓酸盐、Li
‑
铝酸盐、Li
‑
钨酸盐、Li
‑
莫林那特(molinate)、Li
‑
Ta氧化物、Li
‑
Nb
‑
氧化物、Li
‑
Sn
‑
氧化物、Li
‑
In
‑
氧化物、Li
‑
As
‑
氧化物、Li
‑
Sb
‑
氧化物、Li
‑
磷酸盐，或它们的组合。
[0010]在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，金属氧化物包含Li
‑
硅酸盐。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，锂
‑
石榴石主相包含至少90重量％的锂石榴石立方晶相。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，针对代表至少5％的总晶粒群体的晶粒群体所测量的最大晶粒尺寸不超过总晶粒群体的平均晶粒尺寸的多于20倍。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，烧结复合陶瓷包含具有在30
‑
150μm的范围中的厚度的膜。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，所述膜具有至少10
‑4S/
cm的Li
‑
离子电导率以及膜的理论最大密度的至少90％的相对密度。
[0011]在一些实施方式中，一种电池包含：至少一个锂电极；以及与该至少一个锂电极接触的电解质，其中电解质为包含如本文中所描述的烧结复合陶瓷的锂
‑
石榴石复合电解质。
[0012]在一些实施方式中，一种烧结复合陶瓷，包含：锂
‑
石榴石主相；以及锂枝晶生长抑制剂次相，其中：锂
‑
石榴石主相包含：Li7‑
c
La3(Zr2‑
c
,N
c
)O
12
，其中N＝Ta、Ga、W或它们的组合，及0＜c＜1，以及锂枝晶生长抑制剂次相包含，基于烧结复合陶瓷的总重量计的＞0
‑
10重量％的Li
‑
硅酸盐。
[0013]在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，锂
‑
石榴石主相包含至少90重量％的锂石榴石立方晶相。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，针对代表至少5％的总晶粒群体的晶粒群体所测量的最大晶粒尺寸不超过总晶粒群体的平均晶粒尺寸的多于20倍。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，烧结复合陶瓷包含厚度在30
‑
150μm的范围中的膜。
[0014]在一些实施方式中，一种烧结复合陶瓷，包含：锂
‑
石榴石主相；以及锂枝晶生长抑制剂次相，其中烧结复合陶瓷包含下列的至少一者：至少10
‑4S/cm的Li离子电导率；以及膜的理论最大密度的至少90％的相对密度。
[0015]在一些实施方式中，一种方法，其包含：于950℃至1500℃的范围中的温度烧结金属氧化物组分/石榴石生坯带以形成复合陶瓷，复合陶瓷包含：锂
‑
石榴石主相；以及锂枝晶生长抑制剂次相，其中锂枝晶生长抑制剂次相包含，基于烧结复合陶瓷的总重量计的＞0
‑
10重量％的Li
‑
金属氧化物。
[0016]在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，烧结包含：自室温加热至温度范围；保持在该温度范围持续1
‑
20分钟的范围中的时间；自温度范围冷却至室温，其中：用于加热步骤的升温速率(HRR)为100℃/分钟＜HRR＜1000℃/分钟，及用于冷却步骤的冷却速率(CR)为100℃/分钟＜CR＜1000℃/分钟。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，HRR为250℃/分钟＜HRR＜750℃/分钟，CR为250℃/分钟＜CR＜750℃/分钟，及温度范围为1100℃至1300℃。在可与任何其他方面或实施方式组合的一方面中，烧结复合陶瓷包含下列的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种烧结复合陶瓷，包含：锂
‑
石榴石主相；以及锂枝晶生长抑制剂次相，其中，该锂枝晶生长抑制剂次相包含基于该烧结复合陶瓷的总重量计的＞0
‑
10重量％的Li
‑
金属氧化物。2.如权利要求1所述的烧结复合陶瓷，其中，该锂
‑
石榴石主相包含下列的至少一者：(i)Li7‑
3a
La3Zr2L
a
O
12
，其中L＝Al、Ga或Fe以及0＜a＜0.33；(ii)Li7La3‑
b
Zr2M
b
O
12
，其中M＝Bi、Ca或Y以及0＜b＜1；(iii)Li7‑
c
La3(Zr2‑
c
,N
c
)O
12
，其中N＝In、Si、Ge、Sn、Sb、Sc、Ti、Hf、V、W、Te、Nb、Ta、Al、Ga、Fe、Bi、Y、Mg、Ca或其组合以及0＜c＜1，或它们的组合。3.如权利要求1或权利要求2所述的烧结复合陶瓷，其中，该锂
‑
石榴石主相包含：Li7‑
c
La3(Zr2‑
c
,N
c
)O
12
，其中N＝Ta、Ga、W或其组合，以及0＜c＜1。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述的烧结复合陶瓷，其中，该Li
‑
金属氧化物包含：Li
‑
硅酸盐、Li
‑
镓酸盐、Li
‑
铝酸盐、Li
‑
钨酸盐、Li
‑
莫林那特、Li
‑
Ta氧化物、Li
‑
Nb
‑
氧化物、Li
‑
Sn
‑
氧化物、Li
‑
In
‑
氧化物、Li
‑
As
‑
氧化物、Li
‑
Sb
‑
氧化物、Li
‑
磷酸盐，或其组合。5.如权利要求1
‑
4中任一项所述的烧结复合陶瓷，其中，该金属氧化物包含Li
‑
硅酸盐。6.如权利要求1
‑
5中任一项所述的烧结复合陶瓷，其中，该锂
‑
石榴石主相包含至少90重量％的锂石榴石立方相。7.如权利要求1
‑
6中任一项所述的烧结复合陶瓷，其中，针对代表至少5％的总晶粒群的晶粒群所测量的最大晶粒尺寸不超过该总晶粒群的平均晶粒尺寸的多于20倍。8.如权利要求1
‑
7中任一项所述的烧结复合陶瓷，包含具有30
‑
150μm的厚度的膜。9.如权利要求8所述的烧结复合陶瓷，其中，该膜具有至少10
‑4S/cm的Li离子电导率以及该膜的理论最大密度的至少90％的相对密度。10.一种电池，包含：至少一个锂电极；以及接触该至少一个锂电极的电解质，其中，该电解质为锂
‑
石榴石复合电解质，其包含如...

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