[发明专利]一种全新的含S锂离子电池正极材料

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料与技术领域，尤其涉及一种用于全固态锂离子电池中的正极材料及含有该正极材料的锂离子电池。

背景技术

化石能源已经被过度开发和利用，加上现代社会对能源的需求量与日俱增，开发新能源越来越紧迫。虽然太阳能、风能、水力、核能、地热能、海洋能等新能源的发展在一定程度上减轻了社会对化石能源的依赖，但是问题在于：这些新能源并不具备传统化石能源的优良移动性。在人们都习惯依赖这种移动性便利的情况下，将新能源转化成可移动形式的能源是解决问题的关键。于是，化学电源成了备受关注的课题，在众多化学电源中，锂离子电池由于具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、自放电低、无记忆效应等优点已经广泛应用于手机、手提电脑、不间断电源(UPS)、数码相机等电子设备中。另外，它也是未来电动汽车车载电源的首选之一。然而传统的锂离子电池已无法完全满足社会对其性能日益增长的需求。比如，目前锂离子电池装备的电动汽车，行驶里程一般都小于200公里，还不能完全满足市场对电动汽车提出的要求。于是，我们应该尽快开发高能量密度、高倍率性能的新型锂离子电池。众所周知，电池的电极材料和电解质很大程度上决定了电池的性能，研究新型的电极材料和电解质将很大程度上推动锂离子电池以及相关产业的发展。

固态电解质用于全固态锂离子电池中可以大大提升锂离子电池的安全性能，所以此类电解质长期以来备受关注。2011年，由日本东京工业大学率先研发制成的快速离子电导材料Li₁₀GeP₂S₁₂(简写为LGPS)，常温下便能表现出与常规电解液相当的锂离子电导率，达到了1.2×10^-2S/cm，这个锂离子电导率大小甚至超过了某些液态有机电解液中的锂离子电导率。另外，LGPS还具有比常规电解液更宽的电压窗口，达到了5V以上，对能量密度的提高有贡献。LGPS材料对全固态锂离子电池的发展有着极其重要的影响，一直是学术界和产业界关注的重点。需要指出的是，LGPS在与电极材料接触的界面上容易发生分解，从而影响LGPS电解质锂离子电池的总体电化学性能。所以，对于LGPS电解质全固态锂离子电池正极材料的选择需要重新考虑。

目前锂离子电池正极材料主要包括三种材料体系：具有岩盐结构的层状LiMO₂(M＝Ni，Co，Mn)材料；具有尖晶石结构的LiMn₂O₄材料；具有橄榄石结构的LiMPO₄(M＝Fe，Mn)正极材料。然而，这三种正极材料都不能与LGPS电解质相匹配。由于硫化物电解质中的硫对锂离子的吸引力比氧化物电极中的氧小很多，电解质表面会形成一个贫锂的薄层，使得锂离子导电率降低，从而导致电池的内阻增大。所以我们需要探索新的正极材料，使之能用于LGPS电解质锂离子电池中。

本发明利用“材料基因组工程”方法来寻找能与LGPS等含S固态电解质相匹配的正极材料。自2011年6月美国总统奥巴马提出美国“材料基因组计划”以来，“材料基因组工程”在国际上引发了很大的反响。它是通过高通量的第一性原理计算，结合已知的可靠实验数据，用理论模拟尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组分、晶体结构及各种物理性质的数据库，最后通过数据分析探寻材料结构和性能之间的关系，进而达到加速新材料开发的目的。本发明借用“材料基因组工程”的思想，首先按照晶体结构对称性高低，从ICSD库中选出含锂的硫化物，计算其理论比容量，筛选出140mA·h/g以上的体系；再计算其脱锂电位，脱锂后的体积变化、结构稳定性等参数的变化；计算电子结构及锂离子迁移势垒等参数。通过大量计算，最终筛选出LiGaS₂材料，该材料具有较高的理论能量密度，在脱嵌锂过程中表现出良好的结构稳定性，且具有较高的锂离子电导率和电子电导率，有望应用于锂离子电池中，尤其是用在含S固态电解质制备的全固态锂离子电池中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全新的含S锂离子电池正极材料，为了解决含S固态电解质与现有的锂离子电池正极材料不兼容的问题，而提出一种新型的含S锂离子电池正极材料。利用“材料基因组工程”方法，通过高通量的第一性原理计算，筛选出与LGPS等含S固态电解质相匹配的正极材料。

本发明公开一种全新的具有较好应用前景的锂离子电池正极材料，其化学式由下式表示：

LiGaS₂

其中Li为锂元素，Ga为镓元素，S为硫元素。