Li-B-S体系硫化物固态电解质及其制备方法和电池技术

本发明专利技术公开了Li

【技术实现步骤摘要】
Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质及其制备方法和电池


[0001]本专利技术涉及材料
，具体涉及Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质及其制备方法和电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池因为高能量和功率密度、出色的循环性能成为电化学储能领域无可争议的技术。然而，由于锂离子电池热失控引起的安全问题和不断接近理论极限的能量密度都表明其已经无法满足未来的储能需求。全固态电池被认为是下一代先进的储能技术。全固态电池不含易燃易爆的有机溶剂，可从根本上解决液态电池存在的安全隐患。与此同时，与金属锂适配的全固态电池可以实现更高的能量密度。固态电解质是全固态电池的重要组成部分之一，其性能的好坏影响着整个固态电池。高性能固态电解质必须同时具备快速的锂离子传导、可忽略的电子传导、优异的力学性能和稳定的化学、电化学性质。此外，固态电解质的合成原料还应该由廉价、低质量的元素构成，以确保合适成本与高能量密度。但迄今为止在文献中报导的固态电解质材料这些性能上各有不足之处。因此，新型固态电解质的合成一直是研究的热点。
[0003]在各种固态电解质材料中，硫化物固态电解质由于具有高的离子电导率和优良的机械性能，是实现全固态电池的最佳选择路径之一。硫化物固态电解质因为结构单元不同，会导致不同体系的硫化物固态电解质之间的离子电导率具有差异性。其中，Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质中结构单元主要是BS3和LiS4，研究者通过计算发现锂
‑
硼
‑
硫(Li
‑
B
‑
S)三元体系具有极高的离子电导率，特别是Li3BS3、Li5B7S
13
和Li9B
19
S
33
离子电导率的预测值都能达到10mS cm
‑1以上，并且，Li
‑
B
‑
S体系成本低、元素质量轻，储量丰富，是值得进一步详细研究的潜在硫化物电解质。然而在实际实验合成中，Li3BS3、Li5B7S
13
和Li9B
19
S
33
实际测量的离子电导率远低于预测值，这可能是因为巨大的晶界阻抗和杂质相的存在导致实验值与理论计算值之间的差异。因此需要进一步研究Li
‑
B
‑
S体系高离子导电率的内在机理以及发现更加优异的制备方式，从而获得电性能更佳的Li
‑
B
‑
S材料的硫化物固态电解质。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中的问题，公开了Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质，在本专利技术的Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质中设计不同P和Cl的共同掺杂，从而实现获得了一种电性能更佳的Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术提供了Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质，所述硫化物固态电解质为Li
2.75
‑
x
P
0.05
BS3‑
x
Cl
x
(0.05≤x≤0.6)，其中Li为锂元素，P为磷元素、B为硼元素、S为硫元素、Cl为氯元素。
[0007]本专利技术的上述设计，我们通过在Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质中通过共同掺杂P和Cl，首先，P和Cl的粒径配合更为合适，有利于在维持硫化物固态电解质中锂离子扩散通
道的稳定，从而有利于硫化物固态电解质的离子电导率；其次，我们还进一步设计了P和Cl的掺杂量的相对比例，当Cl掺杂量与P掺杂量的相对比值为1
‑
12时，可以实现对硫化物固态电解质中锂离子空位浓度和晶体结构进行调节，进一步提升硫化物固态电解质的离子电导率；最后，P和Cl的共同掺杂能消除传统方式掺杂产生的Li2S杂相。
[0008]作为进一步方案，所述硫化物固态电解质以衍射角2θ表示的X射线粉末衍射图谱中，具有23.53
°
、27.68
°
、30.30
°
特征峰。
[0009]作为进一步方案，所述硫化物固态电解质为Li
2.75
‑
x
P
0.05
BS3‑
x
Cl
x
(0.2≤x≤0.4)，其中Li为锂元素，P为磷元素、B为硼元素、S为硫元素、Cl为氯元素。当Cl掺杂量与P掺杂量的相对比值4
‑
8时，此时硫化物固态电解质的结构从晶态转变成非晶态，显著降低了结构中晶界的阻抗，从而进一步提升了硫化物固态电解质的离子电导率。
[0010]本专利技术还提供了所述Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质的制备方法，所述制备方法包括
[0011]根据Li
2.75
‑
x
P
0.05
BS3‑
x
Cl
x
(0.05≤x≤0.6)中的Li、P、B、S、Cl的摩尔比，分别称取Li2S(硫化锂)，P2S5(五硫化二磷)，LiCl(氯化锂)，B(硼)和S(硫)，混合，研磨，进行烧结。
[0012]作为进一步方案，所述研磨的时间为25min
‑
30min。使原料充分混合均匀。
[0013]作为进一步方案，所述烧结的条件是在真空的环境下，烧结的温度为600℃
‑
700℃，烧结的时间为20h
‑
28h。温度低于600℃，不利于目标产物的形成，温度高于700℃，目标产物会分解。
[0014]作为更进一步方案，达到所述烧结的温度的升温速率为0.5℃/min
‑
1.5℃/min。缓慢的升温速率有利于目标产物的形成。
[0015]作为进一步方案，所述烧结后，需冷却至室温。
[0016]作为更进一步方案，所述冷却至室温的降温速度为1℃/min
‑
10℃/min。本专利技术中还可以采用自然降温的方法，只要能达到冷却效果即可。
[0017]本专利技术还提供了具有所述Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质的电池或电化学装置。
[0018]作为进一步方案，所述电池包括硫化物全固态电池。
[0019]作为进一步方案，所述硫化物全固态电池还包括含硫正极、含锂负极；所述硫化物全固态电池在55℃
‑
100℃的工作温度下，在3C的放电倍率下循环1000圈后的容量保持率不低于50％。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质，其特征在于，所述硫化物固态电解质为Li
2.75
‑
x
P
0.05
BS3‑
x
Cl
x
(0.05≤x≤0.6)，其中Li为锂元素，P为磷元素、B为硼元素、S为硫元素、Cl为氯元素。2.根据权利要求1所述的Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质，其特征在于，所述硫化物固态电解质以衍射角2θ表示的X射线粉末衍射图谱中，具有23.53
°
、27.68
°
、30.30
°
特征峰。3.根据权利要求1所述的Li
‑
B
‑
S体系硫化物固态电解质，其特征在于，所述硫化物固态电解质为Li
2.75
‑
x
P
0.05
BS3‑
x
Cl
x
(0.2≤x≤0.4)，其中Li为锂元素，P为磷元素、B为硼元素、S为硫元素、Cl为氯元素。4.权利要求1
‑
权利要求3任一项所述的Li
‑
B
‑
S体...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴凡，朱祥，
申请(专利权)人：长三角物理研究中心有限公司中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：