[发明专利]硫代磷酸锂复合材料的微波合成

说明书

本发明涉及硫代磷酸锂复合材料的微波合成。具体地，提供了制备包括α‑Li₃PS₄和晶态Li₇P₃S₁₁的硫代磷酸锂复合材料的微波引发的溶剂热方法。该方法可扩大至商用规模生产。

技术领域

本公开内容涉及制备硫代磷酸锂复合材料的方法，其在产物品质、操作时间和能量要求方面可用作工业规模工艺。

背景技术

普遍存在的Li-离子蓄电池已经成为社会的组成部分，其能够变革便携式电子设备，特别是蜂窝电话和膝上型电脑。下一个时代将是蓄电池集成至运输和电网存储产业中，进一步加强社会对蓄电池的依赖。现有技术的Li-离子电池利用由溶解在基于碳酸酯的有机溶剂中的六氟磷酸锂盐组成的液体电解质。最近变得更明显的是，无机固体电解质是对易燃的并且存在环境问题的液体电解质的优秀替代物。

用固体Li-离子传导相替代易燃的有机液体电解质将减轻这种安全问题，并且可提供额外的优势例如改进的机械和热稳定性。固体Li-离子传导相(经常称为固体Li-锂离子导体或固态电解质)的主要功能是在放电过程中从阳极侧至阴极侧和在充电过程中从阴极侧至阳极侧传导Li⁺离子同时阻止蓄电池内电极之间电子的直接传递。

此外，已知用非水性电解质构造的锂蓄电池经过重复的放电和充电循环形成从阳极突出至阴极的树枝状锂金属结构。如果并且当这样的树枝状结构突出至阴极并短接蓄电池时，能量迅速释放并可引发非水性电解质的有机溶剂燃烧。

因此，存在集中于探索新的固体Li-离子传导材料的极大兴趣和努力，这将导致全固态锂蓄电池。在过去的几十年中的研究主要集中在离子传导氧化物例如LISICON(Li₁₄ZnGe₄O₁₆)，NASICON(Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃)，钙钛矿(例如La_0.5Li_0.5TiO₃)，石榴石(Li₇La₃Zr₂O₁₂)，LiPON(例如Li_2.88PO_3.73N_0.14)和硫化物例如Li₃PS₄、Li₇P₃S₁₁和LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂)。

通常，锂复合硫化物(lithium composite sulfide)倾向于提供较好的离子传导率和展性。由Ceder等人(Nature Materials,14,2015,1026-1031)关于已知的Li⁺离子导体Li₁₀GeP₂S₁₂和Li₇P₃S₁₁描述了有效的Li⁺传导晶体晶格的结构特征，其中两种材料的硫亚晶格显示与bcc晶格结构匹配非常接近。进一步，Li⁺离子跳跃跨过相邻的四面体配位的Li⁺晶格格位表明提供具有最低活化能的路径。然而，它们的应用受它们的已知空气敏感性阻碍。目前，研究锂硫代磷酸盐(LTP)用于作为全固态锂离子蓄电池中非挥发性和热稳定的固体电解质。硫代磷酸锂固体电解质最显著的实例包括Li₃PS₄、Li₇P₃S₁₁和Li₁₀GeP₂S₁₁。热稳定的固态电解质通过简化热管理并允许双极堆叠，从而大幅改进能量密度超过对于含有液体电解质的Li-离子蓄电池而言可能的能量密度来允许蓄电池组设计中的范式转变(paradigmshift)。