[发明专利]一种锂离子电池固体电解质及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池固体电解质及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明的锂离子电池固体电解质，化学组成为Li_6+aPS_5‑n+b‑kA_nX_1‑b，n为0～5，a为0～0.5，b为0～0.5，k为0～0.5；其中A为O、S、Se或Te元素中的至少一种，X为卤族元素的至少一种。本发明的锂离子电池固体电解质，具有优良的锂离子电导性和稳定的热力学性能。与Li₁₀GeP₂S₁₂固体电解质相比，本发明的锂离子电池固体电解质具有三维等同的超快离子传输能力，扩散激活能更低，锂离子电导性能也更好。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池固体电解质及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

利用全固态电解质替代液态有机电解质，有望从根本上解决现今锂电池易燃的安全隐患，并克服电解质与金属锂电极界面间形成锂枝状晶的问题。然而，以液态电解质的离子电导为标准(锂离子电导大于1mScm^-1)，在固体电解质中实现Li离子的快速输运仍然极具有挑战性。

传统氧化物固体电解质的类型和重要参数指标，锂钛磷酸盐型Li_1.3M_0.3Ti_1.7(PO₄)₃(M为Al或Sc)固体电解质，在298K温度下的锂离子电导最大为0.7mScm^-1。石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂，在25℃温度的条件下锂离子电导为0.774mScm^-1。Li_2.88PO_3.73N_0.14在25℃温度的条件下，锂离子电导为2.3(±0.7)×10^-3mScm^-1，扩散激活能为0.55(±0.02)eV。因此，已知含氧固体电解质的锂离子电导均低于1mScm^-1的行业标准。

近年来，随着硫化物固体电解质相关研究工作的进行，某些硫基固态电解质表现出较高的锂离子电导。其中，正方晶系的Li₁₀GeP₂S₁₂被公认是现阶段最好的固态电解质之一。在室温条件下，其锂离子电导可以超过10mScm^-1，扩散激活能在0.22～0.285eV之间。然而，该类材料仅具有沿c-轴方向的一维锂离子输运通道，横向扩散的激活能过高，约为0.62eV，使得此类电解质的离子输运性能极大地取决于电解质中晶粒的取向分布，只有当大部分晶粒的c-轴向均接近离子输运方向时，电解质的离子电导才充分发挥出来。在Li₁₀GeP₂S₁₂的基础上，具有类似结构的Li_9.54Si_1.74P_1.44S_11.7Cl_0.3五元固体电解质于2016年被合成，由于Cl离子的引入，将原来的一维通道改性成三维锂离子通道，使得其锂离子电导大幅度提高，据报道在室温条件下可达到25mScm^-1，远远大于液态电解质中的锂离子电导。但是，该材料与金属Li接触时，电化学性质不稳定，因而妨碍其在全固态电池技术中的实际应用。因此，探寻并构造新型各向同性且稳定的超快锂离子电解质，对于突破固体锂电池的技术壁垒，具有十分重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池固体电解质，具有三维等同的超快离子传输能力。

本发明还提供了一种锂离子电池固体电解质的制备方法。

为了实现以上目的，本发明的锂离子电池固体电解质所采用的技术方案是：