固态电解质材料和包括其的二次电池制造技术

本发明专利技术涉及固态电解质材料和包括其的二次电池。一示例性实施例提供一种固态电解质材料，其具有化学式Li

Solid electrolyte material and two cell including the same

The present invention relates to a solid electrolyte material and a two cell including the same. An exemplary embodiment provides a solid electrolyte material having a chemical formula Li

【技术实现步骤摘要】
固态电解质材料和包括其的二次电池
本专利技术总体上涉及二次电池领域，更特别地，涉及一种固态电解质材料和包括该固态电解质材料的二次电池。
技术介绍
在经济高度发达的今天，人类对能源的需求和良好生活环境的要求日益增加，我们需要积极开发利用新型的可再生能源，如太阳能、风能、地热能和潮汐能等，但这些能源不具备传统油气类化石能源的优良移动性。化学电源是兼具移动性和绿色环保的首要选择，目前锂离子电池因具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高和自放电低等优点被广泛应用于手机、笔记本电脑和数码相机等消费类电子设备，同时它也是当前发展混合动力和纯电动交通工具的首选电源装置。由于这些设备与人们日常生活息息相关，电池的安全性是化学电源生产商和相关研究人员需要关注的最重要性能指标。然而，目前使用的锂离子电池因使用易燃烧的有机物电解液和隔膜材料，在受到外力撞击或者高温加热时易发生起火爆炸危及人身财产安全。此外在金属锂电池的有机液体电解质中，金属锂电极易生长锂枝晶，其会造成电池内部短路并引发起火爆炸等严重的安全问题，这也是无法安全使用高能量密度金属锂电池的最大阻碍。因此，寻找有机电解液和隔膜的替代材料是提高现有锂离子电池安全性和进一步开发高比能金属锂电池的迫切要求。具有电子绝缘和离子导电特性的无机固体电解质材料被认为是最有希望的高安全锂离子电池/金属锂电池电解质材料，可同时替代有机电解液和隔膜在电池中的角色。硫化物固体电解质材料因其比肩有机电解液的高离子电导率，一直以来都是人们研究的热点，其中在Li10MX2P12(M＝Ge、Sn；X＝P、Si)和Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3体系中甚至实现了超越常用电解液体系的室温离子电导率，达到10-2S/cm。但是硫化物固体电解质材料对水分极为敏感，在空气中不能稳定存在，在电池中难以与电极材料形成稳定的界面层，与金属锂负极接触易被还原形成Li2S等物质，与氧化物正极接触易被氧化而产生较大的界面电阻。另一方面，氧化物电解质具有良好的化学稳定性，在电化学循环中也能形成较稳定的界面层，但是其较低的室温离子电导率始终不能满足实际使用的需要。因此，期望能够提供一种电解质材料，其兼具硫化物电解质和氧化物电解质二者的优点，既保持高的离子电导率，又具有改善的稳定性。
技术实现思路
本专利技术人在理解硫化物固体电解质材料和氧化物固体电解质材料的特性的基础上，提出一种可作为快离子导体的新型氧硫化物材料LixAlySzO2-z，其中理想的化学配比为x:y:z:2-z＝1:1:1:1。研究结果表明，该材料由AlS2O2四面体共用顶点形成层状结构，锂原子分布在层间与两个硫原子和两个氧原子形成变形的LiS2O2四面体，锂硫键和锂氧键长度较常见硫化物和氧化物中更长，锂离子受到的束缚变弱，从而有利于锂离子的传输。因此，该新型氧硫化物材料LixAlySzO2-z结合了氧化物和硫化物二者的优点，既具有高的离子电导率，又具有改善的稳定性，从而能用于制备具有高比能和高安全性的二次电池。根据一些示例性实施例，提供一种固态电解质材料，其具有化学式LixAlySzO2-z，其中x可以在0.8至1.2的范围，y可以在0.8至1.2的范围，z可以在0.5至1.5的范围。优选地，x可以在0.85至1.15的范围，y可以在0.85至1.15的范围，z可以在0.6至1.4的范围。更优选地，x、y和z可以均为1左右。在一些示例中，该固态电解质材料在第一温度范围具有Pmc21空间群晶体结构，在比所述第一温度范围更高的第二温度范围具有Cmc21空间群晶体结构，并且在所述第一温度范围和所述第二温度范围之间的第三温度范围内发生Pmc21空间群晶体结构和Cmc21空间群晶体结构之间的相变。在一些示例中，当具有Pmc21空间群晶体结构时，Li原子占据2a位，Al原子占据2b位，S原子占据2a位，O原子占据2b位，晶格常数约为α＝β＝γ＝90°。在一些示例中，当具有Cmc21空间群晶体结构时，Li、Al、S和O原子均占据4a位，晶格常数为α＝β＝γ＝90°。在一些示例中，所述第三温度范围包括250K至300K的温度范围。在一些示例中，该固态电解质材料具有电子绝缘性和离子传导性。在一些示例中，当具有Pmc21空间群晶体结构时，该固态电解质材料的离子传导方向包括[100]方向和[001]方向。在一些示例中，当具有Cmc21空间群晶体结构时，该固态电解质材料的离子传导方向包括[100]方向。根据另一些示例性实施例，提供一种二次电池，其可以包括上述固态电解质材料中的任意一种。在一些示例中，所述二次电池可以是锂离子电池或金属锂电池。本专利技术的上述和其他特性和优点将从下面对示例性实施例的描述而变得显而易见。附图说明图1是示出根据本专利技术一实施例的固态电解质材料LiAlSO的第一晶体结构的示意图。图2A、2B和2C是图1的第一晶体结构在沿不同轴观察时的示意图。图3是示出根据本专利技术一实施例的固态电解质材料LiAlSO的第二晶体结构的示意图。图4A、4B和4C是图3的第二晶体结构在沿不同轴观察时的示意图。图5A和5B分别是具有第一和第二晶体结构的固态电解质材料LiAlSO的X射线衍射图。图6是示出根据本专利技术一实施例的固态电解质材料LiAlSO的总态密度的曲线图。图7A和7B是示出具有第一晶体结构的固态电解质材料LiAlSO中的锂离子迁移通道的示意图。图8A和8B是示出具有第二晶体结构的固态电解质材料LiAlSO中的锂离子迁移通道的示意图。图9A是示出具有第一晶体结构的固态电解质材料LiAlSO中的锂离子迁移势垒的曲线图。图9B是示出具有第二晶体结构的固态电解质材料LiAlSO中的锂离子迁移势垒的曲线图。具体实施方式下面将参照附图描述本专利技术的示例性实施例。一般而言，无机快离子导体材料的结构可以看作由稳定的阴阳离子骨架和可以运动的离子(例如锂离子)构成。硫化物与氧化物相比，硫离子比氧离子半径更大，使骨架间锂离子可运动的空间变大，硫原子核对周围电子云束缚作用小使电子云更易极化，在锂离子运动过程中电荷分布更易配合锂离子发生形变，减小对锂离子的作用力，因此硫化物中锂离子电导率通常比类似结构的氧化物更高。而氧化物与硫化物相比，氧原子的电负性更强，锂离子与骨架氧离子的相互作用更强，更强的成键作用使得骨架结构更加稳定，氧离子比硫离子更不易被氧化，也使骨架阳离子被还原的势垒变高，从而氧化物通常比硫化物的化学稳定性和电化学稳定性都更高。采用阴离子掺杂的思路，在氧化物中引入硫离子扩大离子通道或者在硫化物中引入氧离子提高稳定性是开发兼具二者优点的离子导体的有效方法。本专利技术人在理解硫化物固体电解质材料和氧化物固体电解质材料的特性的基础上，按照阴离子掺杂的思路以氧离子和硫离子共同作为构成骨架的阴离子，发现了一种可作为快离子导体的新型氧硫化物材料LixAlySzO2-z，其结合了氧化物和硫化物二者的优点，既具有高的离子电导率，又具有改善的稳定性，从而能用于制备具有高比能和高安全性的二次电池。在理想情况下，该无机固态电解质材料LixAlySzO2-z中的Li、Al、S和O元素的原子比x:y:z:2-z可以为1:1:1:1。当然可理解的是，该原子比也可以在适当的范围内波动，此时LixAlyS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态电解质材料，具有化学式Li

【技术特征摘要】
1.一种固态电解质材料，具有化学式LixAlySzO2-z，其中x在0.8至1.2的范围，y在0.8至1.2的范围，z在0.5至1.5的范围。2.如权利要求1所述的固态电解质材料，其中，x在0.85至1.15的范围，y在0.85至1.15的范围，z在0.6至1.4的范围。3.如权利要求2所述的固态电解质材料，其中，x、y和z均约为1。4.如权利要求1所述的固态电解质材料，其中，该固态电解质材料在第一温度范围具有Pmc21空间群晶体结构，在比所述第一温度范围更高的第二温度范围具有Cmc21空间群晶体结构，并且在所述第一温度范围和所述第二温度范围之间的第三温度范围内发生Pmc21空间群晶体结构和Cmc21空间群晶体结构之间的相变。5.如权利要求4所述的固态电解质材料，其中，当具有Pmc21空间群晶体结构时，Li原子占据2a位，Al原子占...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖睿娟，王雪龙，李泓，陈立泉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11