一种混合阴离子固态电解质及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种混合阴离子固态电解质，其具有以下化学式：

【技术实现步骤摘要】
一种混合阴离子固态电解质及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及固态电解质
，尤其涉及一种混合阴离子固态电解质及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]由于传统的锂离子电池中有机电解液通常具有可燃性和流动性，易挥发
、
易燃烧
、
易泄露，伴随着一定的安全风险
。
因此，使用不可燃
、
高弹性模量的固态电解质代替有机液态电解液构筑全固态锂离子电池，不仅可以避免有机液态电解液所带来的安全隐患，防止枝晶刺穿隔膜造成电池短路，解决电池的安全问题，还能使金属锂负极成为可能，提升电池能量密度
。
[0003]固态电解质作为全固态电池的主要组成部分，对电池的电化学性能
、
成本等起到了关键性的影响
。
在固态电解质中，卤化物固态电解质由于其较高的离子电导率
、
优异的高电压稳定性和良好的电极材料兼容性被认为是高电压全固态锂离子电池中固态电解质最有前途的候选者
。
但是，有两个较大的问题阻碍了卤化物全固态电池的商业化：一个是卤化物固态电解质对低电压负极不稳定，不能匹配低电压负极，同时卤化物固态电解质对空气不稳定，容易跟空气中的水发生反应；另一个则是卤化物固态电解质的成本较高，一方面是因为其中通常含有贵重的稀土元素，如
In
3+
、Y
3+
、Sc
3+
等，原料成本较高，另一方面卤化物固态电解质制备往往需要通过长时间球磨，效率较低，制备成本较高
。
[0004]采用廉价
Al
3+
取代贵重稀土元素，一方面可降低卤化物固态电解质的原料成本，另外也显著降低了卤化物固态电解质的还原电位，使得匹配低电压负极成为了可能
。
但是
Al
基卤化物固态电解质离子电导率较低，难以满足固态电解质的要求
。

技术实现思路

[0005]基于此，针对目前
Al
基卤化物固态电解质离子电导率较低，难以满足固态电解质的要求的技术问题，本专利技术的目的是提供一种混合阴离子固态电解质及其制备方法和应用
。
[0006]本专利技术为实现上述目的，采用以下方案实现
。
[0007]本专利技术提供一种混合阴离子固态电解质，其具有以下化学式：
Li
d
Al1‑
c
Y
c
Cl3‑
a
X
b
，其中，
Y
选自
Si
4+
、Ge
4+
、Sn
4+
、Sb
5+
、Nb
5+
、Ta
5+
、Mo
6+
、W
6+
中的至少一种，
X
选自
O2‑
、S2‑
、F
‑
、Br
‑
、I
‑
、BH4‑
中的至少一种；其中，0＜
d≤2
，
0<b≤2
，
0<a≤2
，
0<c<0.75
且满足电荷平衡
。
[0008]提升固态电解质离子电导率的主要方法是对其宏观
、
微观结构进行调控，调节离子在固体中不同位点的位能，从而降低离子迁移过程中的活化能，提高离子在不同位点间迁移的速率
。
固体中不同位点的离子位能主要跟周边化学环境有关，包括配位离子的种类
、
距离以及角度等，距离越近的离子对其位能影响越大
。
对于
Li
+
，距离最近的离子一般为
O2‑
、X
‑
、S2‑
等阴离子，当阴离子种类和数量发生改变时，往往会对相应位点
Li
+
离子的位能产生较大的影响
。
比如当
Li
+
位于四面体间隙时，周边配位离子为
S2‑
离子时
Li
+
离子位能较低，而
当配位离子变为
X
‑
卤素时，
Li
+
离子位能较高
。
因此，引入混合阴离子能实现不同位点位能的调节，尤其是
O2‑
/X
‑
、O2‑
/S2‑
、S2‑
/X
‑
等混合阴离子，有利于降低四面体间隙和八面体间隙中
Li
+
的位能差，从而降低
Li
+
在四面体间隙和八面体间隙之间迁移的活化能
。
在卤化物固态电解质中，
Li
+
的迁移往往是通过八面体间隙
‑
四面体间隙
‑
八面体间隙进行迁移，其中四面体间隙位能较高，引入部分
O2‑
或者
S2‑
将有助于降低四面体间隙位能，从而减低
Li
+
的迁移活化能，提高其离子电导率
。
进一步通过金属阳离子混排提升固态电解质的热力学稳定性更有助于进一步提升阴离子混排程度，进一步降低离子迁移活化能并提升其离子电导率
。
[0009]本专利技术以
Al
的氯化物为主要框架，通过熔融反应在结构中引入锂离子，同时掺杂一定量的硫离子
(S2‑
)、
氧离子
(O2‑
)、
氟离子
(F
‑
)、
溴离子
(Br
‑
)、
碘离子
(I
‑
)、
硼氢根离子
(BH4‑
)
等阴离子取代部分氯离子
(Cl
‑
)
，对其中锂离子在不同位点的能量进行调控，提高锂离子在八面体间隙的能量，降低其在四面体间隙的能量，使得锂离子进入晶格四面体间隙，降低锂离子迁移活化能，以显著提高离子电导率
。
同时通过掺杂一定量的硅离子
(Si
4+
)、
锗离子
(Ge
4+
)、
锡离子
(Sn
4+
)、
锑离子
(Sb
5+
)、
铌离子
(Nb
5+
)、
钽离子
(Ta
5+
)、
钼离子
(Mo
6+
)、
钨离子
(W
6+
)
等阳离子取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种混合阴离子固态电解质，其特征在于，其具有以下化学式：
Li
d
Al1‑
c
Y
c
Cl3‑
a
X
b
，其中，
Y
选自
Si
4+
、Ge
4+
、Sn
4+
、Sb
5+
、Nb
5+
、Ta
5+
、Mo
6+
、W
6+
中的至少一种，
X
选自
O2‑
、S2‑
、F
‑
、Br
‑
、I
‑
、BH4‑
中的至少一种；其中，0＜
d≤2
，
0<b≤2
，
0<a≤2
，
0<c<0.75
且满足电荷平衡
。2.
根据权利要求1所述的混合阴离子固态电解质，其特征在于，所述
Y
选自
Si
4+
、Ge
4+
、Sn
4+
、Sb
5+
、Nb
5+
、Ta
5+
、Mo
6+
、W
6+
中的一种
。3.
根据权利要求2所述的混合阴离子固态电解质，其特征在于，所述
X
选自
O2‑
、S2‑
、F
‑
、Br
‑
、I
‑
、F
‑
、BH4‑
中的一种或两种
。4.
根据权利要求3所述的混合阴离子固态电解质，其特征在于，所述混合阴离子固态电解质的化学式为
Li
0.8
AlCl
2.2
O
0.8
、LiAlCl2S
0.5
O
0.5
、Li
0.8
AlCl
1.8
O
0.8
Br
0.4
、Li
0.8
AlCl
1.8
O
0.8
(BH4)
0.4
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯绪勇，张黎明，项宏发，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：