[发明专利]锂离子电导性卤代硼氧杂硫化物

说明书

描述了一种具有锂离子离子电导性的固体材料、制备所述固体材料的方法、所述固体材料作为用于电化学电池的固体电解质的用途、选自由用于电化学电池的阴极、阳极和分隔物组成的组的固体结构以及包含该固体结构的电化学电池。

描述了一种具有锂离子离子电导性的固体材料、制备所述固体材料的方法、所述固体材料作为用于电化学电池的固体电解质的用途、选自由用于电化学电池的阴极、阳极和分隔物组成的组的固体结构以及包含该固体结构的电化学电池。

由于全固态锂电池组的广泛使用，对具有高锂离子电导率的固态电解质的需求越来越大。该类固体电解质的一个重要类别为硫化物和氧化物玻璃质材料。在玻璃质固体电解质材料中，结晶途径的不存在导致各向同性传导基本上没有任何晶界阻力。玻璃质电解质材料中不存在晶界还可防止枝晶形成，因为无定形电解质材料可以通过熔融淬火(melt-quench)方法以致密的无缺陷膜形式获得。除了玻璃形成体如B₂S₃外，通常这些材料还含有Li₂S。加入卤化锂盐(例如LiX，其中X＝Cl、Br、I)或锂原氧酸盐(ortho-oxosalt)(例如Li₄SiO₄，Li₃PO₄)以增加玻璃的锂离子浓度和离子电导率。

各氧化物和硫化物显现出固体电解质的一些理想性能，但还显现出一些缺点。氧化物通常提供较稳定的结构骨架，导致较好的化学和电化学稳定性，而硫化物通常具有较高的离子电导率并容易加工。然而，基于硫化物的固体电解质通常具有不良空气稳定性并且由于其的水分敏感性而容易分解。许多硫化物与空气中的水分快速反应而分解并释放H₂S气体。因此，需要结合氧化物和硫化物的优点，但消除缺点的电解质。

本公开的目的为提供一种固体材料，其可作为用于电化学电池的固体电解质使用。此外，还提供了一种制备所述固体材料的方法，所述固体材料作为用于电化学电池的固体电解质的用途，选自由用于电化学电池的阴极、阳极和分隔物组成的组的固体结构以及包含该固体结构的电化学电池，其中所述固体结构包含所述固体材料。

根据第一方面，提供了一种具有根据通式(I)的组成的固体材料：

Li_2x+zB_2yM_aO_b*aS_x+3yX_z (I)

其中

M为选自由P、Si、Ge、As和Sb组成的组的一种或多种，

X为选自由卤化物和拟卤化物组成的组的一种或多种，

x在0.1至0.7的范围内，

y在0.05至0.5的范围内，

z在0.01至0.5的范围内，

a在0.01至0.5的范围内，优选a在0.05至0.48的范围内，

b在1.9至2.6的范围内，优选b在2至2.5的范围内，

0.995≤x+y+z+a≤1.005，优选x+y+z+a＝1。

令人惊奇地，已发现如上所定义的固体材料显现出有利的锂离子电导率以及与金属锂直接接触的电化学稳定性和对空气和水分的化学稳定性。

根据通式(I)的组合物可被认为是一种氧硫化物(oxysulfide)，更具体而言一种卤代硼氧杂硫化物(haloboro-oxysulfide)。

如上所定义的固体材料，即具有根据通式(I)的组成的固体材料可为玻璃质的。