用于全固体电池的氮掺杂硫化物基固体电解质制造技术

本发明专利技术涉及一种用于全固体电池的氮掺杂硫化物基固体电解质。该用于全固体电池的氮掺杂硫化物基固体电解质包含具有由下列通式1表示的硫银锗矿型晶体结构的化合物：【通式1】LiaPSbNcXd其中6≤a≤7，3≤b≤6，0≤c≤1，0≤d≤2，并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合。

Nitrogen-doped sulfide-based solid electrolytes for all-solid-state batteries

【技术实现步骤摘要】
用于全固体电池的氮掺杂硫化物基固体电解质
本专利技术涉及用于全固体电池的氮掺杂硫化物基固体电解质以及包括该氮掺杂硫化物基固体电解质的具有改善的电化学稳定性的全固体电池。
技术介绍
二次电池已经广泛用于大型设备如汽车和电力存储系统中以及小型设备如移动电话、便携式摄像机、膝上型计算机等中。随着二次电池的应用范围扩大，对安全和高功能性电池存在日益增长的需求。例如，锂二次电池(其为二次电池的一种类型)相比于镍-锰电池或镍-镉电池具有高能量密度和高单位面积容量的优点。然而，常规用于锂二次电池的电解质是液体电解质如有机溶剂。因此，可连续发生安全性问题如电解质泄漏和火灾风险。最近，包括固体电解质而不是液体电解质的全固体电池已经用于改善锂二次电池的安全性特征，并且已经引起大量关注。例如，由于不可燃性质或阻燃性质，固体电解质通常比液体电解质更安全。固体电解质可包括氧化物基固体电解质和硫化物基固体电解质。通常使用硫化物基固体电解质，因为相比于氧化物基固体电解质，硫化物基固体电解质具有更高的锂离子电导率范围。然而，硫化物基固体电解质具有电池操作不稳定的缺点，因为硫化物基固体电解质具有比氧化物基固体电解质更低的化学稳定性。因此，已经进行了多种研究以改善硫化物基固体电解质的电化学稳定性，但是固体电解质的基本物理性质如离子电导率可能已经不利地劣化。在此
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部分中公开的上述信息仅为增强对专利技术的
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的理解而提供，因此其可包含不构成本国中本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
在优选方面，本专利技术提供一种改善硫化物基固体电解质的电化学稳定性的化合物。进一步，本专利技术提供一种改善硫化物基固体电解质的电化学稳定性而不损害其离子电导率的化合物。本专利技术的目的不限于上面描述的这些目的。从下列描述将清楚地理解本专利技术的目的，并且可通过权利要求中限定的手段及其组合来实现本专利技术的目的。一方面，本专利技术提供一种用于全固体电池的固体电解质(“氮掺杂硫化物基固体电解质”)，其包含由下列通式1表示的化合物：【通式1】LiaPSbNcXd其中在通式1中，6≤a≤7，3＜b＜6，0＜c≤1，0＜d≤2；并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合。优选地，该化合物具有硫银锗矿型晶体结构。如本文所用的术语“全固体电池(cell/battery)”是指仅包含固体或基本上固态的组分(如固体电极(例如阳极和阴极)和固体电解质)的电池。如本文所用的术语“氮掺杂硫化物基固体电解质”是指可包含取代硫原子的氮原子的固体电解质材料。例如，氮原子可取代固体电解质材料的晶体结构(例如，硫银锗矿结构)中的部分硫原子。部分氮原子可适当地为非掺杂材料中硫原子的总数量的约0.1％、约1％、约3％、约5％、约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％或约90％。如本文所用的术语“硫银锗矿晶体”、“硫银锗矿晶系”或“硫银锗矿型晶体结构”是指具有类似于天然存在的Ag8GeS6、Li7PS6(硫银锗矿)的晶体结构或体系的晶体结构。该硫银锗矿晶体可为具有Pna21空间群并且具有Z＝4的单位晶胞的正交晶体。可例如通过X射线衍射光谱通过观察2θ＝15.5°±1°、18°±1°、26°±1°、30.5°±1°和32°±1°处附近的峰值，凭经验确定硫银锗矿晶体。该化合物可由下列通式2表示：【通式2】Li6+aPS5-aNaX，其中在通式2中，0＜a≤1并且X如上面通式1中所定义。该化合物可由下列通式3表示：【通式3】Li6PS5-1.5bNbX其中在通式3中，0＜b≤0.75并且X如上面通式1中所定义。该化合物可由下列通式4表示：【通式4】Li7PS6-2cNcXc其中在通式4中，0＜c≤1并且X如上面通式1中所定义。该化合物可由下列通式5表示：【通式5】Li6PS5-2dNdX1+d其中在通式5中，0＜d≤1并且X如上面通式1中所定义。另一方面，本专利技术提供一种全固体电池，其包括阴极、阳极以及介于阴极和阳极之间的固体电解质层。优选地，阴极、阳极和固体电解质层中的至少一个可包括如本文所公开的固体电解质。另一方面，本专利技术提供一种制造用于全固体电池的固体电解质的方法，其包括：提供Li2S、P2S5、LiX(X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合)和Li3N的混合物，粉碎该混合物，以及对该混合物进行热处理以得到具有硫银锗矿型晶体结构的化合物。优选地，该化合物由下列通式1表示：【通式1】LiaPSbNcXd其中在通式1中，6≤a≤7，3＜b＜6，0＜c≤1，0＜d≤2；并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合。该化合物可由下列通式2表示：【通式2】Li6+aPS5-aNaX其中在通式2中，0＜a≤1并且X如上面通式1中所定义。该化合物可由下列通式3表示：【通式3】Li6PS5-1.5bNbX其中在通式3中，0＜b≤0.75并且X如上面通式1中所定义。该化合物可由下列通式4表示：【通式4】Li7PS6-2cNcXc其中在通式4中，0＜c≤1并且X如上面通式1中所定义。该化合物可由下列通式5表示：【通式5】Li6PS5-2dNdX1+d其中在通式5中，0＜d≤1并且X如上面通式1中所定义。还提供一种车辆，其可包括如本文所述的全固体电池。以下讨论专利技术的其它方面和优选实施方式。附图说明现在将参照附图中所示的本专利技术的某些示例性实施方式来详细描述本专利技术的上述特征和其它特征，附图在下文中仅以说明的方式给出，因此其并非是对本专利技术的限制，并且其中：图1示出根据本专利技术的示例性实施方式的硫化物基固体电解质的示例性组成，如除固定量的P2S5之外的Li2S、LiCl和Li3N的三元体系；图2示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质的X射线衍射(XRD)分析结果；图3示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质的示例性组成，如以摩尔比表示的Li2S、LiCl和Li3N的三元体系；图4示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质的X射线衍射(XRD)分析结果；图5示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质的示例性组成，如以摩尔比表示的Li2S、LiCl和Li3N的三元体系；图6示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质的X射线衍射(XRD)分析结果；图7示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质的示例性组成，如以摩尔比表示的Li2S、LiCl和Li3N的三元体系；图8示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质的X射线衍射(XRD)分析结果；图9示出在根据本专利技术的示例性硫化物基固体电解质中示出1.0mS/cm或更高的离子电导率的示例性组成的区域；图10示出在根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质中示出1.5mS/cm或更高的离子电导率的示例性组成的区域；图11示出在根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质中示出2.0mS/cm或更高的离子电导率的示例性组成的区域；图12示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质(Li6PS4.25N0.5Cl)的循环伏安法测试结果。图13A示出根据本专利技术的示例性实施方式的示例性硫化物基固体电解质(L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于全固体电池的固体电解质，其包含：由下列通式1表示的化合物：【通式1】LiaPSbNcXd其中在通式1中，6≤a≤7，3＜b＜6，0＜c≤1，0＜d≤2；并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合，其中所述化合物具有硫银锗矿型晶体结构。

【技术特征摘要】
2017.12.27 KR 10-2017-01811141.一种用于全固体电池的固体电解质，其包含：由下列通式1表示的化合物：【通式1】LiaPSbNcXd其中在通式1中，6≤a≤7，3＜b＜6，0＜c≤1，0＜d≤2；并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合，其中所述化合物具有硫银锗矿型晶体结构。2.根据权利要求1所述的固体电解质，其中所述化合物由下列通式2表示：【通式2】Li6+aPS5-aNaX其中在通式2中，0＜a≤1；并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合。3.根据权利要求1所述的固体电解质，其中所述化合物由下列通式3表示：【通式3】Li6PS5-1.5bNbX其中在通式3中，0＜b≤0.75；并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合。4.根据权利要求1所述的固体电解质，其中所述化合物由下列通式4表示：【通式4】Li7PS6-2cNcXc其中在通式4中，0＜c≤1；并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合。5.根据权利要求1所述的固体电解质，其中所述化合物由下列通式5表示：【通式5】Li6PS5-2dNdX1+d其中在通式5中，0＜d≤1；并且X选自氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)、及其组合。6.一种全固体电池，其包括：阴极；阳极；以及固体电解质层，所述固体电解质层介于所述阴极和所述阳极之间，其中所述阴极、所述阳极以及所述固体电解质层中的至少一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：成柱咏，张容准，闵泓锡，金思钦，尹龙燮，吴必建，申东彧，朴璨辉，孙溱，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，起亚自动车株式会社，汉阳大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国,KR