CN111943257B - 制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法及复合正极 - Google Patents

制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法及复合正极 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法以及硫化物复合正极。所述方法包括:将SnS2和Na2S在空气中溶解于水溶液中,真空干燥后得到混合粉末;将混合粉末在惰性保护气氛下烧结,得到Na4SnS4固态电解质粉末;将Na4SnS4固态电解质粉末置于含有高浓度乙醇锂的非极性萃取剂中,通过多级固相萃取,得到萃取后的Li4SnS4固态电解质前驱体;将Li4SnS4固态电解质前驱体充分干燥后,置于氩气气氛下烧结,得到高晶型高离子电导率的Li4SnS4固态电解质。该方法对于空气水含量要求低,易于工业大规模生成,且合成的固态电解质锂电电导率高,具有较好的工业前景。

Description

制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法及复合正极
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,具体涉及一种通过固相萃取制备 Li4SnS4硫化物固态电解质的方法以及硫化物复合正极。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、输出功率大、电压高、自放电小、工作温度范围宽、无记忆效应和环境友好等优点,已应用于电动车、轨道交通、大规模储能和航空航天等领域。目前,商业化的锂离子电池采用有机液体电解质,该电解质和电极材料在充放电过程中容易发生副反应,导致电池容量出现不可逆衰减,同时电池在长期服役过程中,有机液体电解质会出现挥发、干涸、泄露等现象,影响电池寿命。另一方面,传统锂离子电池无法使用高能量密度的金属锂作为负极材料,在电池循环中,由于金属锂表面电流密度及锂离子分布不均匀等因素,金属锂电极反复溶解、沉积容易形成不均匀的孔洞和枝晶。枝晶会刺穿隔膜,到达电池正极造成电池短路、热失控、着火爆炸等一系列安全隐患。用固体电解质代替液体电解质是获得高能量密度、安全性和长循环寿命的全固态锂电池的根本途径。
目前大部分的硫化物固态电解质均采用固相球磨法,而部分采用湿法制备的硫化物固态电解质,如文献所述(Liquid-phase syntheses of sulfide electrolytes forall-solid-state lithium battery[J].Nature Reviews Chemistry,2019),其中杂质较多,且合成过程对环境水含量要求非常严格,不利于电解质的工业化批量生产。Li4SnS4型固态电解质对空气稳定性较好,但是现在的固相合成技术路线中(Li+conduction in air-stable Sb-Substituted Li4SnS4 for all-solid-state Li-Ion batteries[J].JournalofPower Sources,2020,446:227338.),需要采用Li2S原料,Li2S原料在空气中容易产生有毒H2S气体,且容易爆炸。另一方面,该方法为固相球磨法,不利于大规模生产制造,难以实现工业化。因此,利用Li4SnS4本身空气中较为稳定的特点,避开中间采用Li2S原料,采用一些较为稳定的材料直接制备Li4SnS4固态电解质是势在必行的。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足,提供一种通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法以及硫化物复合正极。
为实现上述目的,本发明提供的一种通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法包括以下步骤:
(1)按化学计量比,将SnS2和Na2S在空气中溶解于水溶液中,真空干燥后得到混合粉末;
(2)将混合粉末在惰性保护气氛下烧结,得到Na4SnS4固态电解质粉末;
(3)将Na4SnS4固态电解质粉末置于含有高浓度乙醇锂的非极性萃取剂中,通过多级固相萃取,得到萃取后的Li4SnS4固态电解质前驱体,其中,乙醇锂浓度为0.1mol/L-10mol/L;
(4)将Li4SnS4固态电解质前驱体充分干燥后,置于氩气气氛下烧结,得到高晶型高离子电导率的Li4SnS4固态电解质。
优选地,所述步骤(1)中的SnS2和Na2S纯度大于99%。
优选地,所述步骤(1)中的真空干燥时间为10-48h,真空干燥温度为 60-80℃。
优选地,所述步骤(2)中的Na4SnS4固态电解质粉末的粒度为1-100um。
优选地,所述步骤(3)中的非极性萃取剂包括无水乙醚,正丁醚,四氯化碳,环己烷或煤油。
优选地,所述步骤(4)中的烧结温度为200-500℃,烧结时间为1-24h。
为实现上述目的,本发明提供的一种硫化物复合正极由如上述任一项方法制得的Li4SnS4固态电解质、氧化物正极和导电碳混合制备而得。
本发明的技术原理和构思如下:
本发明中采用水溶液液相法先合成Na4SnS4固体电解质,单一的SnS2在水溶液中难以溶解,但是在Na2S的环境下,其容易与Na2S生成Na4SnSx(x 为3和4)溶解于水溶液中。其中该步骤的原料Na2S和SnS2的纯度大于99%,可保证合成的Na4SnS4的纯度。
由于溶液法制备的混合粉末为Na4SnSx和未完全反应的Na2S,需要对其进行烧结得到纯相的Na4SnS4固态电解质;其中该材料在空气中高温下会与空气中的氧气发生氧化还原反应,所以需要在惰性保护气氛下进行烧结,以得到高纯以及高结晶度的Na4SnS4固态电解质。
将得到的Na4SnS4固态电解质分散在含有溶有乙醇锂的非极性溶剂中,经过多次10min-30min的震荡,萃取,过滤,使得Na4SnS4固态电解质中的Na 离子被Li离子置换出来。本研究中重点为采用的萃取剂为非极性萃取剂,目的在于不溶解Na4SnS4和Li4SnS4固态电解质,而乙醇锂作为锂源能溶解于该类萃取剂中,从而使得两种离子进行高浓度差的置换反应。其中乙醇锂容易与钠盐发生置换反应,有利于该反应的快速以及完全反应。
固相萃取后得到的Li4SnS4的固态电解质结晶度低,需要进一步退火,增加Li4SnS4材料的结晶度。
相对现有技术,本发明技术方案带来的有益效果如下:
(1)本发明采用液相法可以大批量制备Na4SnS4固态电解质,同时该方法过程中操作简单,易于实现工业化。
(2)本发明采用固相萃取法制备Li4SnS4,流程简单,无需采用对空气敏感的Li2S等原料,操作方法对环境友好,且易于实现工业化。
(3)本发明采用的固相萃取设备简单,同时萃取剂在萃取负载Na后,可以后期进行Li源修复,进而对萃取剂重复利用。有利于该方法地可持续循环发展。
(4)本方法制备的Li4SnS4电解质纯度高,晶度大,离子电导率高,得到的电池电极阻抗小,电池比容量高、循环稳定性好。
附图说明
图1为本发明的技术路线图;
图2为实施例1中烧结后在室温下测试的Na4SnS4和Li4SnS4的XRD粉末衍射图;
图3是实施例1制得的Li4SnS4固态电解质片在室温下测得的阻抗图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。
实施例1:
按照图1中的技术路线,根据所需化学计量比称取2N纯试剂Na2S和SnS2,加入到去离子纯水中搅拌溶解;将溶液在80℃下真空干燥得到Na4SnSx混合粉末;将Na4SnSx混合粉末短暂研磨后,置于氩气气氛下的管式炉内300℃烧结8h,得到Na4SnS4固态电解质;Na4SnS4固态电解质经过1mol/L的乙醇锂的环己烷溶液中,通过5级固相萃取,得到萃取后的Li4SnS4固态电解质前驱体;将Li4SnS4固态电解质前驱体充分干燥后,置于氩气气氛下的管式炉内400℃烧结20h得到高晶型高离子电导率的Li4SnS4固态电解质。
其中300℃烧结后的Na4SnS4电解质的XRD粉末衍射图如图2上半部分所示;最终得到的Li4SnS4固态电解质的XRD粉末衍射图如图2下半部分所示。结果表明得到的电解质粉末物相纯,结晶度高,杂质少。
最终得到的Li4SnS4固态电解质粉末经过普通300MPa压片后,测试其锂离子电导率。
请参照图3,通过离子电导率计算公式:σ=1/Z,单位为S/cm;其中,Z 为标准化后阻抗值,计算获得室温下该固体电解质片的锂电电导率σ=1/3900=2.6×10-4S cm-1
本方法制得的Li4SnS4固态电解质与15mg/cm2钴酸锂正极,石墨构建的全电池首圈具有89%的效率,放电容量为130mAh/g,具有较好的使用容量。
实施例2:
按照图1中的技术路线,根据所需化学计量比称取2N纯试剂Na2S和SnS2,加入到去离子纯水中搅拌溶解;将溶液在60℃下真空干燥得到Na4SnSx混合粉末;将Na4SnSx混合粉末短暂研磨后,置于氩气气氛下的管式炉内200℃烧结12h,得到Na4SnS4固态电解质;Na4SnS4固态电解质经过3mol/L的乙醇锂的环己烷溶液中,通过4级固相萃取,得到萃取后的Li4SnS4固态电解质前驱体;将Li4SnS4固态电解质前驱体充分干燥后,置于氩气气氛下的管式炉内400℃烧结10h得到高晶型高离子电导率的Li4SnS4固态电解质。
Li4SnS4固态电解质压片后,测试其锂离子电导率。计算获得室温下该固体电解质片的锂电电导率σ=1/4800=2.1×10-4S cm-1
实施例3:
按照图1中的技术路线,根据所需化学计量比称取2N纯试剂Na2S和SnS2,加入到去离子纯水中搅拌溶解;将溶液在80℃下真空干燥得到Na4SnSx混合粉末;将Na4SnSx混合粉末短暂研磨后,置于氩气气氛下的管式炉内350℃烧结10h,得到Na4SnS4固态电解质;Na4SnS4固态电解质经过5mol/L的乙醇锂的乙醚溶液中,通过6级固相萃取,得到萃取后的Li4SnS4固态电解质前驱体;将Li4SnS4固态电解质前驱体充分干燥后,置于氩气气氛下的管式炉内450℃烧结8h得到高晶型高离子电导率的Li4SnS4固态电解质。
Li4SnS4固态电解质压片后,测试其锂离子电导率。计算获得室温下该固体电解质片的锂电电导率σ=1/4400=2.3×10-4S cm-1
实施例4:
按照图1中的技术路线,根据所需化学计量比称取3N纯试剂Na2S和SnS2,加入到去离子纯水中搅拌溶解;将溶液在80℃下真空干燥得到Na4SnSx混合粉末;将Na4SnSx混合粉末短暂研磨后,置于氩气气氛下的管式炉内400℃烧结8h,得到Na4SnS4固态电解质;Na4SnS4固态电解质经过8mol/L的乙醇锂的煤油溶液中,通过6级固相萃取,得到萃取后的Li4SnS4固态电解质前驱体;将Li4SnS4固态电解质前驱体充分干燥后,置于氩气气氛下的管式炉内500℃烧结6h得到高晶型高离子电导率的Li4SnS4固态电解质。
Li4SnS4固态电解质压片后,测试其锂离子电导率。计算获得室温下该固体电解质片的锂电电导率σ=1/4000=2.5×10-4S cm-1

Claims (6)

1.一种通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)按化学计量比,将SnS2和Na2S在空气中溶解于水溶液中,真空干燥后得到混合粉末;
(2)将混合粉末在惰性保护气氛下烧结,得到Na4SnS4固态电解质粉末;
(3)将Na4SnS4固态电解质粉末置于含有高浓度乙醇锂的非极性萃取剂中,通过多级固相萃取,得到萃取后的Li4SnS4固态电解质前驱体,其中,乙醇锂浓度为0.1 mol/L -10 mol/L;
(4)将Li4SnS4固态电解质前驱体充分干燥后,置于氩气气氛下烧结,得到高晶型高离子电导率的Li4SnS4固态电解质。
2.根据权利要求1所述的通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法,其特征在于,所述步骤(1)中的SnS2和Na2S纯度大于99%。
3.根据权利要求1所述的通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法,其特征在于,所述步骤(1)中的真空干燥时间为10-48h,真空干燥温度为60-80℃。
4.根据权利要求1所述的通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法,其特征在于,所述步骤(2)中的Na4SnS4固态电解质粉末的粒度为1-100um。
5.根据权利要求1所述的通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法,其特征在于,所述步骤(3)中的非极性萃取剂包括无水乙醚,正丁醚,四氯化碳,环己烷或煤油。
6.根据权利要求1所述的通过固相萃取制备Li4SnS4硫化物固态电解质的方法,其特征在于,所述步骤(4)中的烧结温度为200-500℃,烧结时间为1-24 h。
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