[发明专利]一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种Li₂S-P₂S₅-TiS₂系非晶态电解质材料，所述电解质材料具有高室温离子电导率，属于锂离子电池相关材料制备领域。

背景技术

锂离子电池电解质包括有机电解液和无机固态电解质。由于在有机电解液电池中常常发生离子或溶剂所引起的副反应，而在无机固态电解质中则很难发生。作为有机电解液的替代品，无机固态电解质具有离子迁移数大、化学及电化学稳定性好、可加工性能良好等优点，已经成为锂离子电池领域的重要研究方向之一。然而，机械强度差、与电极活性物质接触时的界面阻抗大和电化学窗口不够宽是无机固态电解质使用的主要障碍。因此，开发在常温下具有较高离子导电率和稳定性的无机固态电解质材料显得尤为重要。

无机固态电解质按照其物质结构可以分为晶体型固态电解质（陶瓷电解质）和非晶固态电解质（玻璃态电解质）。非晶固态电解质主要包括氧化物玻璃电解质和硫化物玻璃电解质两大类。同晶体型电解质相比较，非晶固态电解质具有诸多优点，如导电性具有各向同性、离子电导率高、电子电导率低、易于加工，在全固态薄膜锂离子电池领域具有广阔的应用前景。其中，氧化物玻璃电解质是由网络形成氧化物（如B₂O₃、P₂O₅、SiO₂等）和网络改性氧化物(如Li₂O)组成的，网络形成氧化物相互连接形成长程无序的巨分子链，之后网络改性氧化物进入长链中，打破氧桥，降低分子链长度；在网络结构中，只有锂离子能够自由移动，使材料具有一定的锂离子电导率。当结构中的O被极化度更大的S完全取代后即形成硫化物玻璃电解质。同离子电导率约为10^-7～10^-8S/cm的氧化物玻璃电解质相比，硫化物玻璃电解质通常具有更高的离子电导率，这是因为S比O电负性小，对Li⁺的束缚力弱，并且S半径较大，可形成较大的离子传输通道,利于Li⁺迁移，因此可以通过S取代结构中的O以显著提高晶胞尺寸，扩大离子传输瓶颈尺寸，使固态电解质的离子电导率大幅提高。

近年来,在锂离子电池硫化物玻璃电解质领域，研究较多的是以Li₂S，Li₂S–P₂S₅，Li₂S–SiS₂，Li₂S–B₂S₃等为基,在此基础上掺杂引入其他元素的硫化物玻璃电解质。将其用于全固态锂离子电池时,除电池的首次不可逆容量损失较高外，其它综合性能均十分优越，如室温离子电导率较高（有些体系甚至可达10^-2S/cm），循环性能优良，还可以排除电池的短路、漏液及其安全隐患，适合于高温环境下操作(可达200℃)等。从这些方面看，采用非晶固态电解质的锂离子电池具有良好的发展前景。进一步改善非晶固态电解质的手段主要有在传统的玻璃体系中添加锂盐(如LiI，Li₂SO₄等)，使用混合网络形成氧化物或硫化物，以及形成所谓的玻璃-陶瓷电解质，特别是硫代LISICON电解质，即thio-LISICON的研究工作在近年来取得了一定的进展。与传统的晶体型和非晶固态电解质相比，玻璃-陶瓷电解质兼具晶体型和非晶体型固态电解质的很多优点。因此，硫代的玻璃-陶瓷材料作为固态电解质在全固态锂离子电池领域具有巨大的发展潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Li₂S-P₂S₅-TiS₂系非晶态电解质材料，以解决固态电解质材料室在温下离子电导率偏低的问题。

一种Li₂S-P₂S₅-TiS₂系非晶态电解质材料，所述电解质材料通过如下方法制备得到：

（1）高能球磨反应：

为减少在混合过程中硫的损失，在具有氩气气氛保护的手套箱内，将三种反应原材料Li₂S、P₂S₅、TiS₂按照摩尔百分比34:15:1的比例混合均匀，优选在研钵中研磨20～30分钟，得到混合物；