空气稳定的固态硫化物电解质制造技术

一种方法，其包括使两亲性表面保护剂与水敏感性Li离子导体材料的表面接触，从而导致被保护的Li离子导体材料，以及组装包括该被保护的Li离子导体材料的电化学电池。的Li离子导体材料的电化学电池。的Li离子导体材料的电化学电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】空气稳定的固态硫化物电解质
[0001]本申请要求2020年10月23日提交的美国临时专利申请No.63/104,718的权益，其被整体地并入本文。
[0002]政府支持的确认
[0003]本专利技术是在根据美国能源部给予的合同DE
‑
AC0576RL01830的政府支持下完成的。政府对本专利技术具有一定的权利。

技术介绍

[0004]锂离子电池(LIB)已广泛地使用在我们的日常生活中，特别是在便携式电子设备(如手机和个人电脑)中。近年来，LIB也已被用作电动车辆(EV)的电源，这大大扩大了LIB在储能市场中的份额。随着EV市场预计到2030年将进一步增长50％，对具有更高能源/功率密度以及卓越安全特性的新一代LIB的需求变得迫切。但是，随着电池能量密度的增加，安全问题也随之增加，这主要是因为有机液态电解质(OLE)具有固有的高易燃性、大挥发性和与氧化或还原电极材料接触时发生的自由基反应性。与LIB或使用OLE的锂金属电池(LMB)相比，在全固态电池(ASSB)中采用易燃的无机固态电解质(SSE)可以从根本上消除安全问题。
[0005]高性能固态电解质(SSE)，如硫化物、氧化物和聚合物基电解质，对于具有高能量和功率密度的ASSB的成功至关重要。在这些SSE之中，硫化物被认为更有前景，因为它们的柔软性质和在室温下的高离子电导率，这两者都确保了良好的SSE/电极材料接触和快速的锂离子传导。但是，与产生剧毒的H2S气体有关的硫化物SSE的水稳定性差，阻碍了其在实际规模上的评估和应用。为了解决这个关键问题，先前已经尝试了几个策略。
[0006]一个策略是将无机H2S吸收添加剂(如Fe2O3、ZnO和Bi2O3)结合到SSE中，以化学方式消耗产生的H2S气体。尽管从SSE释放的H2S的量可以在一定程度上降低，但由于H2S释放反应的存在和这些添加剂的非导电性质，总体Li离子导电率大大降低。另一个策略的重点是基于硬/软酸
‑
碱(HSAB)理论开发具有固有良好的水稳定性的硫化物SSE。具体地，相对于软酸，如Cu1、Ge
IV
和As
V
，更喜欢结合软碱，如S2‑
，从而形成强共价键和刚性架构。在HSAB理论的指导下，已经开发了季铵硫化物，如Li
3.833
Sn
0.833
As
0.166
S4和Li4Cu8Ge3S
12
，它们表现出改善的水稳定性。但是，这些含硫化物的SSE(也包括Li
10
GeP2S
12
和Li
10
SnP2S
12
)对Li金属阳极的化学/电化学稳定性差，其中SSE被还原为电子导电的Li金属合金(LiGe
x
和LiSn
x
)，最终使电池短路。此外，那些含有“重金属”的SSE通常涉及高温合成和高材料密度的代价。此外，现有的固态硫化物电解质的空气稳定性差，这使得很难在周围的空气环境中生产材料。

技术实现思路

[0007]本文公开的一个实施例是一种方法，包括：
[0008]使两亲性表面保护剂与水敏感性Li离子导体材料的表面接触，从而导致被保护的Li离子导体材料，以及
[0009]组装包括该被保护的Li离子导体材料的电化学电池。
[0010]本文公开的另一个实施例是一种方法，包括：
[0011]将两亲性表面保护剂涂覆于含硫化物的固态电解质材料的表面上。
[0012]本文公开的另一个实施例是一种材料，包括涂覆有两亲性表面保护剂的含硫化物的固态电解质，其中该两亲性表面保护剂包括：亲水头，其中该亲水头选自
‑
OH；
‑
C(O)O
‑
；
‑
C＝O
‑
；
‑
NH
‑
；
‑
Al
n
(OH)
m
，其中n≥1且m≥1；
‑
PO4‑
；
‑
C(O)NH2；
‑
NH2；
‑
OSO3H；
‑
SO3H；
‑
SH；
‑
Cl；
‑
Br；
‑
I；以及
‑
NR
4+
，其中R为C
x
H
2x+1
，
X
≥1；和亲水尾，该亲水尾选自
‑
CH3；
‑
CH2‑
CH3；
‑
R
‑
C6H5，其中R为C
x
H
2x+1
，
X
≥1；
‑
CH＝CH2；
‑
C3‑
C
50
烷基或取代烷基；
‑
C3‑
C
50
烯基或取代烯基；
‑
C3‑
C
50
炔基或取代炔基；(CH2)
n
(n≥2)；
‑
CH2F；
‑
CHF2；
‑
CF3；(CF2)
n
(n≥2)；和(Si(CH3)2‑
O
‑
)n(n≥2)。
[0013]本文公开的另一个实施例是一种构建体，包括：
[0014]涂覆有两亲性表面保护剂的含硫化物的固态电解质，其中该两亲性表面保护剂包括亲水头，该亲水头选自
‑
OH；
‑
C(O))O
‑
；
‑
C＝O
‑
；
‑
NH
‑
；
‑
Al
n
(OH)
m
，其中n≥1且m≥1；
‑
PO4‑
；
‑
C(O)NH2；
‑
NH2；
‑
OSO3H；
‑
SO3H；
‑
SH；
‑
Cl；
‑
Br；
‑
I；以及
‑
NR
4+
，其中R为C
x
H
2x+1
，
X
≥1；和亲水尾，该亲水尾选自
‑
CH3；
‑
CH2‑
CH3；
‑
R
‑
C6H5，其中R为C
x
H
2x+1
，
X
≥1；
‑
CH＝CH2；
‑
C3‑
C
50
烷基或取代烷基；
‑
C3‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，包括：使两亲性表面保护剂与水敏感性Li离子导体材料的表面接触，从而导致被保护的Li离子导体材料，以及组装包括所述被保护的Li离子导体材料的电化学电池。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述Li离子导体材料为含硫化物的固态电解质材料。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述两亲性表面保护剂包括：亲水头，所述亲水头选自
‑
OH；
‑
C(O)O
‑
；
‑
C＝O
‑
；
‑
NH
‑
；
‑
Al
n
(OH)
m
，其中n≥1且m≥1；
‑
PO4‑
；
‑
C(O)NH2；
‑
NH2；
‑
OSO3H；
‑
SO3H；
‑
SH；
‑
Cl；
‑
Br；
‑
I；以及
‑
NR
4+
，其中R为C
x
H
2x+1
，
X
≥1；和亲水尾，所述亲水尾选自
‑
CH3；
‑
CH2‑
CH3；
‑
R
‑
C6H5，其中R为C
x
H
2x+1,X
≥1；
‑
CH＝CH2；
‑
C3‑
C
50
烷基或取代烷基；
‑
C3‑
C
50
烯基或取代烯基；
‑
C3‑
C
50
炔基或取代炔基；(CH2)
n
(n≥2)；
‑
CH2F；
‑
CHF2；
‑
CF3；(CF2)
n
(n≥2)；和(Si(CH3)2‑
O
‑
)
n
(n≥2)。4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述两亲性表面保护剂具有选自
‑
SH、
‑
Cl、
‑
Br或
‑
I的亲水头；和
‑
C3‑
C
50
烷基或取代的
‑
C3‑
C
50
烷基亲水尾。5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述两亲性表面保护剂为C
x
H
2x+1
Br(x≥1)；C
x
H
2x+1
Cl(x≥1)；C
x
H
2x+1
I(x≥1)；C
x
H
2x+1
SH(x≥1)；R1OR2，其中R1和R2各自独立地为C
x
H
2x+1
(x≥1)；R1COOR2，其中R1和R2各自独立地为C
x
H
2x+1
(x≥1)；或其混合物。6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述两亲性表面保护剂为1
‑
溴戊烷。7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述含硫化物的固态电解质材料为Li7P2S8X，其中X为Cl、Br、I和/或F。8.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述含硫化物的固态电解质材料为Li3PS4或Li
10
GeP2S
12
。9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，组装所述电化学电池包括：形成所述含硫化物的固态电解质材料，形成阴极，以及形成阳极，其中所述含硫化物的固态电解质材料被插置在所述阳极与所述阴极之间。10.一种方法，包括：将两亲性表面保护剂涂覆于含硫化物的固态电解质材料的表面上。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法进一步包括：处理涂覆的所述含硫化物的固态电解质材料，随后从涂覆的所述含硫化物的固态电解质材料上去除涂层。12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述两亲性表面保护剂具有选自
‑
SH、
‑
Cl、
‑
Br或
‑
I的亲水头；和
‑
C3‑
C
50
烷基或取代的
‑
C3‑
C
50
烷基亲水尾。13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述两亲性表面保护剂为C
x
H
2x+1
Br(x≥1)；C
x
H
2x+1
Cl(x≥1)；C
x
H
2x+1
I(x≥1)；C
x
H
2x+1
SH(x≥1)；R1OR2，其中R1和R2各自独立地为C
x
H
2x+1
(x≥1)；R1COOR2，其中R1和R2各自独立地为C
x
H
2x+1
(x≥1)；或其混合物。14.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述两亲性表面保护剂为1
‑
溴戊烷。15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述含硫化物的固态电解质材料为Li7P2S8X，其中X为Cl、Br、I和/或F。16.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述含硫化物的固态电解质材料为Li3PS4或Li
...

【专利技术属性】
技术研发人员：于昭新，吕东平，肖婕，J，
申请(专利权)人：巴特尔纪念研究院，
类型：发明
国别省市：