[发明专利]固态电解质膜片及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种固态电解质膜片及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有能量密度大、使用寿命长、工作电压高、放电平稳、无记忆效应、绿色环保等优点，其在便携式电子设备中的应用已十分广泛。它的工作原理涉及物理化学、材料以及能源等众多领域。目前锂离子电池的最主要问题是采用的液体电解液体系在大功率充放电时，其安全性能在其大规模使用时得不到保证，特别是在混合动力或纯电力交通工具上的应用。全固态锂离子电池的出现，有可能使其安全性能得到显著改善。因为固态电解质相对于传统的液态有机电解质，它不仅没有易燃的特点，而且具有更高的电化学稳定性，在空气中不会产生有毒的气体等反应产物，所以全固态锂离子电池具有更高的安全性能。

由日本东京工业大学Kanno小组率先研发合成的晶相快离子导体材料Li₁₀GeP₂S₁₂(简写为LGPS)，其中Ge与P分别与S构成GeS₄和PS₄四面体，在常温下表现出的锂离子电导率可达到12mS/cm，其与传统的液态有机电解质的离子电导率相当，甚至超过了某些液态有机电解质的离子电导率。同时该晶体材料还具有比传统液态有机电解质更宽的电压窗口（其可超过5V），因此LGPS材料的这些优越性能突显了其在全固态锂离子电池方面的重要性。另外锂离子在LGPS材料中的扩散，Kanno小组认为是各向异性的，即沿着c轴的管道方向是锂离子快速扩散的唯一路径。虽然Kanno小组声明的LGPS固态电解质是属于P4₂/nmc空间群的晶体材料，但事实表明其结晶性并不好，合成的LGPS晶体材料中，特别是沿c轴的管道内存在许多的缺陷，从而造成锂离子的扩散堵塞，进而严重影响LGPS固态电解质中的锂离子电导率，因此LGPS材料中纯粹的一维扩散是不科学的。另外，马克斯普朗克固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）在物理化学化学物理期刊（Physical Chemistry Chemical Physics）上对LGPS材料中锂占据位以及锂离子扩散性质进行针对性地报道，该文献现在还没有卷号和页码，其数字对象标志符（DOI）为10.1039/c3cp51985f。该文献进一步证实了固态电解质材料中的锂分布以及锂离子的三维扩散性能，否定了LGPS材料中锂离子的一维扩散特征。

此外，采用固态电解质LGPS的锂离子电池的各种电化学性能不但取决于其结构稳定性，还取决于其晶体颗粒在膜片中的取向。

发明内容

鉴于背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种固态电解质膜片及锂离子电池，其能提高锂离子在固态电解质膜片中的电导率，进而改善锂离子电池的倍率性能和循环性能。

为了实现上述目的，在本发明的第一方面，本发明提供了一种固态电解质膜片，其含有固态电解质晶体颗粒以及粘结剂，所述固态电解质晶体通式为(Li_mZ_n)MP₂X₁₂，所述固态电解质晶体属于三斜晶系和P₁空间群；其中，Z为高价金属元素，其化合价大于1价且小于等于3价，所述高价金属元素Z为Ｍg、Al、Ca、Ti、Cu、Zn、In、Sr、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ba、Os、Ir、Pt、Hg中的至少一种；M为Ge、Si、Sn、Al、P中的至少一种；X为O、S、Se中的至少一种；m为8～11的有理数；n为0～2的有理数；其中，在所述固态电解质膜片中，80%以上的(Li_mZ_n)MP₂X₁₂晶体颗粒的晶轴c轴方向与固态电解质膜片平面夹角α₁为-15°≤α₁≤15°。

在本发明的第二方面，本发明提供了一种锂离子电池，其包括：正极极片，含有正极活性材料；负极极片，含有负极活性材料；以及固态电解质，间隔于正、负极片之间，所述固态电解质为根据本发明第一方面所述的固态电解质膜片。

本发明的有益效果如下：