[发明专利]硫基富锂固态电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硫基富锂固态电解质及其制备方法和应用。其中，所述硫基富锂固态电解质包括其中，0≦x3，0≦a1，M为选自Ba、Mg、Ca和Sr中的至少之一，A为选自Cl、I、Br和BF₄中的至少之一。该硫基富锂固态电解质具有优异的离子导电性和稳定性。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，特别涉及一种硫基富锂固态电解质及其制备方法和应用。

背景技术

自1991年索尼锂离子电池问世以来，这项技术已被广泛采用，最初用于电子产品，最近用于移动和运输行业。目前的技术水平可达到265Wh/kg的能量密度，在工作温度在-20℃到40℃之间，充电持续时间为1.5小时的情况下，通常可循环使用2000到4000次。这种电池由石墨基阳极和由绝缘聚合物分离器隔开的Ni/Co阴极组成。锂离子来回穿梭，在充电时插入阳极，在放电时插入阴极。阳极、分离器和阴极的孔隙率约为35％，以适应液体电解质，从而确保锂离子在两极之间来回游走。

液体电解质由锂盐(如LiPF₆)和碳酸乙酯、碳酸二甲酯或碳酸丙烯组成的溶剂组成。其密度约为1.3mg/cm³。能量密度、循环寿命和工作温度范围受液体电解质数量、锂盐浓度和溶剂选择(密度和冰点的变化)的严格控制。此外，由于液体电解质溶剂的可燃性，限制了当前锂离子电池的安全性。如果液体电解质被损坏或渗透，锂离子电池内部就会发生泄漏事件，引发可燃溶剂起火。这种类型的活性液体电解质还排除了使用更多的高能电极，如金属锂金属阳极或高压阴极，这妨碍了未来锂离子电池的能量密度可增加到350Wh/kg以上。

为了突破350Wh/kg的研究障碍，下一代电池技术需要利用高能金属锂阳极，而这种阳极可以通过使用更稳定的固体电解质来实现。这种电解质将取代电极之间的聚合物分离器，还将与电极混合，以给予锂离子电导率。固体电解质是良好的锂离子导体、良好的电子绝缘体、具有良好的抗电极反应稳定性(电化学惰性窗口宽)、低密度和低晶界电阻的锂离子扩散。从电池组装的角度来看，固体电解质也应该简化电池组装过程，因为它们不流动，需要更少的外壳。这将使电池的成本更低以及电池能量密度提高。

目前常见的固体电解质包括有机(聚合物)和无机(通常是硫化物或氧化物)固体。然而，虽然聚合物电解质与金属锂阳极结合良好，但是目前只能成功地与3.5V级阴极(LFP)配对，还达不到与4V级阴极(NMC或NCA)配对；硫化物基无机电解质与锂金属阳极或3.5V/4V级阴极都不能很好地结合，为了减少与LPS电解液的反应，需要对阴极活性材料添加保护涂层。典型的阳极是石墨和铟箔，它们通过锂盐形成铟/锂合金。通常LPS泥浆需要在庚烷中添加PVDF和铸造薄膜50μm，但在电池组装时需要高压力来弥补其晶界电阻。这使电池组装复杂化，降低了电池的能量密度。LPS还通常与空气中的水分发生反应，因此需要在昂贵的干燥室的条件下进行组装。无机电解质在室温下可能比聚合物电解质更具导电性，但由于其密度高、性质硬，对锂离子跃迁具有较高的晶界电阻。高压(200MPa)或高温热处理(700C)使它们难以形成电极混合物(由于与阴极粉末的高温反应)和完整电池。

因此，现有的固态电解质有待进一步探究。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种硫基富锂固态电解质，以解决现有的固态电解质离子导电性和稳定性差的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的所述硫基富锂固态电解质包括其中，0≦x3，0≦a1，M为选自Ba、Mg、Ca和Sr中的至少之一，A为选自Cl、I、Br和BF₄中的至少之一。

相对于现有技术，本发明所述的硫基富锂固态电解质具有以下优势：该硫基富锂固态电解质具有优异的离子导电性和稳定性。

本发明的再一目的在于提出一种制备硫基富锂固态电解质的方法，所述方法包括在惰性气氛下，将卤化锂与硫化锂进行球磨后煅烧。