CN103401017A - 一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料 - Google Patents

一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，所述电解质材料具有高室温离子电导率，属于锂离子电池相关材料制备领域。所述电解质材料通过高能球磨反应和低温固相反应制备得到，具体为在具有氩气气氛保护的手套箱内，将三种反应原材料Li2S、P2S5、TiS2按照摩尔百分比34:15:1的比例混合均匀，加入玛瑙球放入球磨罐中，氩气气氛下密封进行高能球磨反应；然后将球磨好的样品置于管式炉中，氩气气氛300℃下烧制3个小时，得到所述非晶态电解质材料。所述电解质材料通过将高能球磨技术与低温固相反应结合，具有较高室温离子电导率，制备工艺流程简单，反应条件温和。

Description

一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料
技术领域
本发明涉及一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，所述电解质材料具有高室温离子电导率，属于锂离子电池相关材料制备领域。
背景技术
锂离子电池电解质包括有机电解液和无机固态电解质。由于在有机电解液电池中常常发生离子或溶剂所引起的副反应，而在无机固态电解质中则很难发生。作为有机电解液的替代品，无机固态电解质具有离子迁移数大、化学及电化学稳定性好、可加工性能良好等优点，已经成为锂离子电池领域的重要研究方向之一。然而，机械强度差、与电极活性物质接触时的界面阻抗大和电化学窗口不够宽是无机固态电解质使用的主要障碍。因此，开发在常温下具有较高离子导电率和稳定性的无机固态电解质材料显得尤为重要。
无机固态电解质按照其物质结构可以分为晶体型固态电解质（陶瓷电解质）和非晶固态电解质（玻璃态电解质）。非晶固态电解质主要包括氧化物玻璃电解质和硫化物玻璃电解质两大类。同晶体型电解质相比较，非晶固态电解质具有诸多优点，如导电性具有各向同性、离子电导率高、电子电导率低、易于加工，在全固态薄膜锂离子电池领域具有广阔的应用前景。其中，氧化物玻璃电解质是由网络形成氧化物（如B2O3、P2O5、SiO2等）和网络改性氧化物(如Li2O)组成的，网络形成氧化物相互连接形成长程无序的巨分子链，之后网络改性氧化物进入长链中，打破氧桥，降低分子链长度；在网络结构中，只有锂离子能够自由移动，使材料具有一定的锂离子电导率。当结构中的O被极化度更大的S完全取代后即形成硫化物玻璃电解质。同离子电导率约为10-7～10-8S/cm的氧化物玻璃电解质相比，硫化物玻璃电解质通常具有更高的离子电导率，这是因为S比O电负性小，对Li+的束缚力弱，并且S半径较大，可形成较大的离子传输通道,利于Li+迁移，因此可以通过S取代结构中的O以显著提高晶胞尺寸，扩大离子传输瓶颈尺寸，使固态电解质的离子电导率大幅提高。
近年来,在锂离子电池硫化物玻璃电解质领域，研究较多的是以Li2S，Li2S–P2S5，Li2S–SiS2，Li2S–B2S3等为基,在此基础上掺杂引入其他元素的硫化物玻璃电解质。将其用于全固态锂离子电池时,除电池的首次不可逆容量损失较高外，其它综合性能均十分优越，如室温离子电导率较高（有些体系甚至可达10-2S/cm），循环性能优良，还可以排除电池的短路、漏液及其安全隐患，适合于高温环境下操作(可达200℃)等。从这些方面看，采用非晶固态电解质的锂离子电池具有良好的发展前景。进一步改善非晶固态电解质的手段主要有在传统的玻璃体系中添加锂盐(如LiI，Li2SO4等)，使用混合网络形成氧化物或硫化物，以及形成所谓的玻璃-陶瓷电解质，特别是硫代LISICON电解质，即thio-LISICON的研究工作在近年来取得了一定的进展。与传统的晶体型和非晶固态电解质相比，玻璃-陶瓷电解质兼具晶体型和非晶体型固态电解质的很多优点。因此，硫代的玻璃-陶瓷材料作为固态电解质在全固态锂离子电池领域具有巨大的发展潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，以解决固态电解质材料室在温下离子电导率偏低的问题。
一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，所述电解质材料通过如下方法制备得到：
（1）高能球磨反应：
为减少在混合过程中硫的损失，在具有氩气气氛保护的手套箱内，将三种反应原材料Li2S、P2S5、TiS2按照摩尔百分比34:15:1的比例混合均匀，优选在研钵中研磨20～30分钟，得到混合物；
将玛瑙球与混合物放入球磨罐中，优选球质比取3:1～3:2（所述球质比的含义为玛瑙球与混合物的质量比），并将球磨罐在氩气气氛下密封；
将密封好的球磨罐放入高能球磨机中，优选以400～600rpm的转速球磨≥10个小时进行高能球磨反应。球磨好的样品为棕色粉末，具有一定的吸湿性，有刺激性气味，化学性质不稳定。
（2）低温固相反应：
对球磨好的样品进行示差扫描量热（Differential Scanning Calorimetry，DSC）测试，发现其晶化温度在300℃左右；将球磨好的样品置于管式炉中，通入氩气流作为气氛保护，在300℃下烧制2～4个小时，热失重约为5-10%。得到的产物为深棕色粉末，吸湿性和刺激性气味都得到极大程度的改善，化学性质比较稳定，即为本发明所述的Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料。
优选在玛瑙球使用前，将玛瑙球依次在洗洁精、去离子水、无水乙醇中球磨进行清洗，球磨清洗的转速可以在300rpm左右，清洗时间为30～60分钟。所述玛瑙球的尺寸为大（直径10mm）、中(直径8mm)、小（直径6mm）三种，按5:7:10的个数比例混合。
优选在步骤（2）中，将球磨好的样品装入瓷方舟并置于管式炉中，通入氩气流，升温到300℃并保温2～4个小时，最后待管式炉自然冷却降至室温后将产物取出。
通过压片机，将得到的产物压制成厚度低于1mm的薄片，两侧分别固定不锈钢基片制成三明治结构，进行电化学性能测试。
有益效果
本发明提供一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，所述电解质材料通过将高能球磨技术与低温固相反应结合得到，具有较高室温离子电导率。本发明制备工艺流程简单，反应条件温和。
附图说明
图1为实施例制备得到的Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料的交流阻抗图谱。
图2为所述电解质材料的Arrhenius曲线。
图3为所述电解质材料的循环伏安曲线。
图4为所述电解质材料的的XRD图谱。
具体实施方式
实施例
一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，所述电解质材料通过如下方法制备得到：
反应前选取尺寸为大（直径10mm）、中(直径8mm)、小（直径6mm）的三种玛瑙球和单一溶剂置于球磨罐中，其中大、中、小玛瑙球按5:7:10的数量比例混合。对玛瑙球进行三次清洗，每次将球磨罐以300rpm的转速在溶剂中球磨30～60分钟，也可重复若干次至玛瑙球清洗干净；最后将球磨罐及玛瑙球烘干备用。每次清洗选取的溶剂依次为洗洁精、去离子水、无水乙醇，溶剂液面低于球磨罐容积的2/3。
（1）高能球磨反应：
在具有氩气气氛保护的手套箱内，按照摩尔百分比34:15:1的比例，分别称取反应原材料Li2S1.5778克、P2S53.2634克、TiS20.112克。将三种反应原材料在研钵中研磨20～30分钟，至呈细小颗粒，得到混合物；
将混合物放入装有玛瑙球的球磨罐中，球质比取3:1，并将球磨罐在氩气气氛下密封；
将密封好的球磨罐放入高能球磨机（Fritch,Pulverisette7）中，以500rpm的转速球磨15个小时，进行高能球磨反应。球磨好的样品为棕色粉末，具有一定的吸湿性，有刺激性气味，化学性质不稳定。
（2）低温固相反应：
对球磨好的样品进行DSC测试，发现其晶化温度在300℃左右；将球磨好的样品装入瓷方舟并置于管式炉中，先以200ml/min的流速通入氩气流30分钟以降低管式炉中的氧气含量，然后在同样的氩气流保护下以10℃/min的升温速率升到300℃，保温3个小时（热失重为8%），最后待管式炉自然冷却降至室温后将产物取出。得到的产物为深棕色粉末，吸湿性和刺激性气味都得到极大程度的改善，化学性质比较稳定，即为本发明所述的Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料。
通过压片机，将得到的产物压制成厚度（d）约为0.7mm的薄片，上下两侧分别固定不锈钢基片制成三明治结构（有效面积A为1.76625cm2），在德国制造的Zahner电化学工作站上对其进行一系列的电化学性能测试，包括直流极化测试（Direct Current polarization，DCP）、交流阻抗测试（Electrochemical ImpedanceSpectroscopy，EIS）、循环伏安测试（Cyclic Voltammetry，CV）；通过日本Rigaku制造的X射线衍射（XRD）仪对电解质材料的物相组成进行探究。
其中，DCP测试采用10mV的扰动电压，测试时间为40小时，结果显示该电解质材料的锂离子迁移数约为0.99，是一种良好的锂离子导体。
图1为该电解质材料的EIS图谱，其中横坐标为阻抗实部Ζ’，单位KΩ；纵坐标为阻抗虚部-Ζ”，单位KΩ。测试的频率范围为10-1MHz，扰动电压为5mV。从曲线拐点处可读出该电解质材料的电阻R为1.015kΩ。经公式σ＝d/(R·A)计算，该电解质材料的室温离子电导率σ可达4.16×10-5S/cm，同未进行低温固相反应的材料（步骤（1）高能球磨反应得到的样品）相比上升了一个数量级；在不同温度下进行EIS测试做Arrhenius曲线，如图2所示，其中下方的横坐标为1000/测试温度，单位为K-1；上方的横坐标为测试温度，单位为摄氏度；纵坐标为ln(σT)，单位为S·cm-1K。经Arrheniu公式σT＝Aexp(-Eσ/kT)计算，该电解质材料的活化能Eσ可达0.4eV。
图3为该电解质材料的CV曲线，其中横坐标为电压，单位为伏（V）；纵坐标为电流密度，单位为毫安/平方厘米（mA/cm2）。该电解质材料的氧化还原峰出现在±2.5V的位置，说明该电解质材料的电化学稳定窗口可以达到5V。另外，在±0.5V处出现的一对氧化还原峰应该是测试时环境杂质H2O与材料中的少量钛氧化物反应所引起。
图4为该电解质材料的XRD图谱，其中横坐标为衍射角（2θ），纵坐标为X射线强度。下面一条曲线代表步骤（1）高能球磨反应得到的样品，上面一条曲线代表步骤（2）的低温固相反应得到的产物。说明通过低温固相反应，该电解质材料的结构由无定形态转变为玻璃-陶瓷混合结构，其主要物相组成为具有较高室温锂离子电导率的Li7P3S11和thio-LISICONⅡ类物质，后者在Li2S-P2S5系电解质中存在，首先在Li4-xGe1-xPxS4系电解质的第二类物相（0.6<x<0.8）中发现，其室温离子电导率大于第一类（x<0.6）和第三类（x>0.8）物相（文献来源：Ryoji Kanno,Journal of The Electrochemical Society,148（7）：A742-A746,2001；Masahiro Tatsumisago,Journal of Non-Crystalline Solids,354：1411–1417,2008）。对产物进行XPS（X射线光电子能谱分析）测试，发现在最终合成的物质中钛以Ti4+的形式存在。虽然钛离子本身并未形成具有较高离子电导率的物质，但是将其引入体系中可以促进高导电性物质的结晶。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，其特征在于：所述电解质材料通过如下方法制备得到：
（1）高能球磨反应：
在具有氩气气氛保护的手套箱内，将三种反应原材料Li2S、P2S5、TiS2按照摩尔百分比34:15:1的比例混合均匀，得到混合物；
将玛瑙球与混合物放入球磨罐中，并将球磨罐在氩气气氛下密封；
将密封好的球磨罐放入高能球磨机中，进行高能球磨反应；
（2）低温固相反应：
将球磨好的样品置于管式炉中，通入氩气流作为气氛保护，在300℃下烧制3个小时，得到所述的Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料。
2.根据权利要求1所述的一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，其特征在于：使用前将玛瑙球依次在洗洁精、去离子水、无水乙醇中球磨进行清洗。
3.根据权利要求1所述的一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，其特征在于：在步骤（1）中，在具有氩气气氛保护的手套箱内，将三种反应原材料粉末在研钵中研磨，得到混合物。
4.根据权利要求1所述的一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，其特征在于：在步骤（1）中，将玛瑙球与混合物放入球磨罐中，球质比取3:1～3:2，并将球磨罐在氩气气氛下密封。
5.根据权利要求1所述的一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，其特征在于：在步骤（1）中，进行高能球磨反应的条件为将球磨罐以400～600rpm的转速球磨≥10个小时。
6.根据权利要求1所述的一种Li2S-P2S5-TiS2系非晶态电解质材料，其特征在于：在步骤（2）中，将球磨好的样品装入瓷方舟并置于管式炉中，通入氩气流，升温到300℃并保温2～4个小时，最后待管式炉自然冷却降至室温后将产物取出。
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