CN112670560B

CN112670560B - 硫化物固态电解质及其高温液相制备方法

Info

Publication number: CN112670560B
Application number: CN202010922699.2A
Authority: CN
Inventors: 曹元成; 韩奇高
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-09-04
Also published as: CN112670560A

Abstract

本发明提供了一种硫化物固态电解质及其高温液相制备方法。首先，在氩气氛围下将硫化锂、五硫化二磷和硫粉混合后搅拌均匀，制备得到混合物料；然后，加热至硫粉完全熔融，得到熔融物料；接着，将熔融物料加热至预定加热温度，保持1～3h后，冷却至室温，得到产物；最后，在5～15MPa压强下，进行压片处理，制备得到电化学性能优异的硫化物固态电解质。本发明提供的高温液相的制备方法，采用熔融‑加热烧结两步联合工艺，工艺简单、操作过程可控、生产成本低廉、生产效率高，能够进行大规模量产，具备巨大的应用前景。

Description

硫化物固态电解质及其高温液相制备方法

技术领域

本发明涉及电解质制备技术领域，尤其涉及一种硫化物固态电解质及其高温液相制备方法。

背景技术

目前硫化物固态电解质具有优异的机械加工性能和媲美液态电解液的离子电导率，成为全固态电池的研究热点。近年来，硫化物固态电解质材料无论在制备合成、离子传导率以及全固态电池应用中，都得到了长足的研究和发展。现有技术中，硫化物固态电解质材料的合成方法主要为液相法和球磨法。

申请号为CN201310465226.4的发明专利公开了一种硫化物电解质材料及其制备方法。其包括以下步骤：将硫化锂、五硫化二磷与有机溶液混合，得到混合溶液，将硫化锂与五硫化二磷在有机溶剂中溶解并反应，形成含有Li、P和S的化合物，该化合物与有机溶剂还会形成结晶态，然后依次进行离心、过滤、干燥与热处理后，得到硫化物电解质材料。但是，由于硫化物的活化能比较高，容易和有机溶剂发生反应，通过液相法制备的硫化物固态电解质离子电导率偏低，不能满足实际应用的需求。

申请号为CN201810461344.0的发明专利公共了一种硫化物固体电解质的制备方法。其包括如下步骤：先将硫粉、氢化锂、五硫化二磷、磷酸锂原材料在真空干燥箱内烘干；然后，在惰性气氛保护下，按照质量百分比15％～40％硫粉、5％～20％氢化锂、50％～70％五硫化二磷、0％～10％磷酸锂，分别称取上述的干燥后的原材料，在研钵中预研磨5～20分钟，加入到密封的球磨罐中，室温下转速为200～600r/min条件下球磨24～60h；接着，球磨反应结束后，在惰性气氛下，将粉体从球磨罐中取出，加入到坩埚中，在高温管式炉中，在氮气气氛下进行烧结，烧结温度为200～400℃，烧结时间为2～6h。将粉体从坩埚中取出，即得到硫化物固体电解质。但是，通过高能球磨的方式进行硫化物电解质的制备，其制备产量受到限制，不能实现大规模量产，限制了硫化物固态电解质的进一步应用。

申请号为CN201710249899.4的发明专利公开了一种无机硫化物电解质的制备方法。以Si、S、Li₂S、P₂S₅以及LiCl为原料，经混合、球磨、两步烧结工艺制备而成，但是该制备方法存在操作复杂、能耗高的缺陷，且制备的硫化物固态电解质的电化学性能并没有得到显著提升。

有鉴于此，有必要设计一种改进的硫化物固态电解质的制备方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现大规模量产且具备优异电化学性能的硫化物固态电解质及其高温液相制备方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种硫化物固态电解质的高温液相制备方法，包括如下步骤：

S1，在惰性气体氛围下，按预定比例，将硫化锂、五硫化二磷和硫粉倒入容器中，以预定搅拌转速进行分散处理，将物料搅拌分散均匀，制备得到混合物料；

S2，将步骤S1搅拌后的所述混合物料加热至预定熔融温度，使得所述混合物料中的所述硫粉完全熔融，保持所述硫粉的熔融液相状态20～50min，得到熔融物料；

S3，将步骤S2制备的所述熔融物料加热至预定加热温度，保持1～3h后，冷却至室温，得到产物；

S4，将步骤S3制备的所述产物在5～15MPa压强下，进行压片处理，制备得到硫化物固态电解质。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述熔融温度为160～200℃。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述硫化锂、所述五硫化二磷和所述硫粉三者的质量比例为(70～80)：(20～30)：(10-500)。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述加热温度为220～250℃。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述搅拌转速为600～1000r/min。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述熔融温度为180℃。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述硫化锂、所述五硫化二磷和所述硫粉三者的质量比例为75：25：400。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述加热温度为240℃。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种上述硫化物固态电解质的高温液相制备方法制备得到的硫化物固态电解质，其由硫化锂、五硫化二磷和硫粉三者通过高温液相法制备而成；所述硫化物固态电解质的电导率达到4.2×10^-4S/cm；

所述硫化物固态电解质的结构式如下：

xLi₂S·(100-x)P₂S₅；

70＜x＜80。

作为本发明的进一步改进，所述硫化物固态电解质xLi₂S·(100-x)P₂S₅，x＝75。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的硫化物固态电解质的高温液相制备方法，采用先熔融后加热烧结的联合工艺，显著缩短了制备周期，并且该工艺能够有效地实现物料的均匀分散和制备反应的均匀控制。而且该制备工艺过程中，没有副反应的发生，显著提升了制备产物硫化物固态电解质的纯度，使得硫化物固态电解质的电化学性能得到显著提升。

2、本发明提供的硫化物固态电解质的高温液相制备方法，采用熔融-加热烧结两步联合工艺，克服了现有技术中存在的技术缺陷，能够实现高性能硫化物固态电解质的高效量产，其机理如下：

首先，选择在高温下以液态方式存在且易挥发的硫粉为熔融材料，且其不会与硫化物电解质的原料(硫化锂、五硫化二磷)发生反应，由此，在硫粉的熔融液相状态中，硫化物原料，即硫化锂、五硫化二磷在熔融硫粉的高温液相体系中得到了很好地分散，且硫化物原料不会与液相硫粉发生反应，有效避免了现有技术中由于硫化物的活化能过高，导致其容易和有机溶剂发生反应，由此通过传统液相法制备的硫化物固态电解质离子电导率偏低、电化学性能不佳的技术缺陷；

然后，进行加热烧结处理，使得在熔融硫粉液相体系中均匀分散的硫化物原料进行烧结成型，由此，两步工艺联合，完成高温液相的整体制备工艺，有效避免了现有技术中通过高能球磨-加热烧结的方法进行硫化物固态电解质的制备工艺中存在的生产产量受到限制，不能实现大规模量产的技术缺陷，本发明提供的高温液相的制备方法能够制备出生产效率高、生产产量大且电化学性能优异的硫化物固态电解质。

3、本发明提供的硫化物固态电解质的高温液相制备方法，采用预定转速的搅拌分散处理，而不是现有技术中的球磨处理，能够有效避免球磨处理过程中形成的玻璃态电解质和杂质，导致结晶度和纯度受到影响的技术缺陷。

4、本发明提供的硫化物固态电解质的高温液相制备方法，工艺简单、操作过程可控、生产成本低廉、生产效率高，能够进行大规模量产，具备巨大的应用前景。

5、本发明提供的硫化物固态电解质，具备优异的电化学性能，其电导率达到4.2×10^-4S/cm。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的硫化物固态电解质的阻抗谱图。

图2为本发明对比例1制备的硫化物固态电解质的阻抗谱图。

图3为本发明对比例2制备的硫化物固态电解质的阻抗谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种硫化物固态电解质的高温液相制备方法，包括如下步骤：

S1，在惰性气体氛围下，按预定比例，将硫化锂、五硫化二磷和硫粉倒入容器中，以预定搅拌转速进行搅拌处理，将物料搅拌均匀，制备得到混合物料；

进一步地，在步骤S2中，所述熔融温度为160～200℃。

进一步地，在步骤S1中，所述硫化锂、所述五硫化二磷和所述硫粉三者的质量比例为(70～80)：(20～30)：(10～500)。

进一步地，在步骤S3中，所述加热温度为220～250℃。

进一步地，在步骤S1中，所述搅拌转速为600～1000r/min。

进一步地，在步骤S2中，所述熔融温度为180℃。

进一步地，在步骤S1中，所述硫化锂、所述五硫化二磷和所述硫粉三者的质量比例为75：25：400。

进一步地，在步骤S3中，所述加热温度为240℃。

下面通过具体的实施例对本发明提供的硫化物固态电解质的高温液相制备方法做进一步的详细描述。

实施例1

本发明实施例1提供了一种硫化物固态电解质的高温液相制备方法，包括如下步骤：

S1，在氩气氛围下，按75：25：400的质量比例，将硫化锂、五硫化二磷和硫粉倒入容器中，以800r/min的搅拌转速进行分散处理，将物料搅拌均匀，制备得到混合物料；

S2，将步骤S1搅拌后的混合物料加热至180℃的熔融温度后，所述混合物料中的所述硫粉完全熔融，保持硫粉的熔融液相状态30min，得到熔融物料；

S3，将步骤S2制备的所述熔融物料加热至240℃的加热温度，保持2h后，自然冷却至室温，得到产物；

S4，将步骤S3制备的所述产物称量120mg后，在10MPa压强下，进行压片处理，制备得到硫化物固态电解质，其结构式为：75Li₂S·25P₂S₅。

将实施例1制备的硫化物固态电解质进行阻抗谱图测试，结果如图1所示，晶界阻抗约为300Ω，表明其阻抗较小。

实施例1制备的硫化物固态电解质的电导率达到4.2×10^-4S/cm，由此表明实施例1制备的硫化物固态电解质具备优异的电化学性能。

对比例1

与实施例1的不同之处在于：没有硫粉熔融液相处理的步骤，其制备方法如下：

S1，在氩气氛围下，按75：25的质量比例，将硫化锂、五硫化二磷倒入容器中，以800r/min的搅拌转速进行搅拌处理，将物料搅拌均匀，制备得到混合物料；

S2，将步骤S1制备的所述混合物料加热至240℃的加热温度，保持2h后，自然冷却至室温，得到产物；

S3，将步骤S2制备的所述产物称量120mg后，在10MPa压强下，进行压片处理，制备得到硫化物固态电解质。

将对比例1制备的硫化物固态电解质进行阻抗谱图测试，结果如图2所示，表明硫化物电解质由于不能充分分散和接触，阻抗远高于实施例1。

对比例2

与实施例1的不同之处在于：采用液相法进行制备，包括如下步骤：

S1，在氩气氛围下，按75：25的质量比例，将硫化锂、五硫化二磷倒入容器中，加入四氢呋喃溶剂，得到混合物料；

S2，将步骤S1制备的混合物料以800r/min的搅拌转速搅拌24h后进行加热处理，加热至80℃进行溶剂挥发处理，得到溶剂挥发后的物料；

S3，将步骤S2制备的溶剂挥发后的物料加热至240℃的加热温度，保持2h后，自然冷却至室温，得到产物；

将对比例2制备的硫化物固态电解质进行阻抗谱图测试，结果如图3所示，表明形成的硫化物固态电解质阻抗较大，离子电导率约为1.6×10^-5S/cm，远低于本发明实施例1制备的硫化物固态电解质的电导率。

比较可知，实施例1制备的硫化物固态电解质的电化学性能远高于对比例1和对比例2提供的硫化物固态电解质的电化学性能，表明本发明采用熔融-加热烧结两步联合工艺，有效克服了现有技术中存在的技术缺陷，且还能够实现高性能硫化物固态电解质的高效量产。

实施例2-5

与实施例1的不同之处在于：步骤S2中熔融温度和熔融保持时间的设置不同，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。

表1为实施例1-5及对比例1-2的工艺参数设置及其性能参数

实施例	熔融温度	熔融保持时间	电导率
				实施例1	180℃	30min	4.2×10<sup>-4</sup>S/cm
实施例2	160℃	30min	3.1×10<sup>-4</sup>S/cm
				实施例3	200℃	30min	1.4×10<sup>-4</sup>S/cm
实施例4	180℃	20min	3.7×10<sup>-4</sup>S/cm
				实施例5	180℃	50min	3.9×10<sup>-4</sup>S/cm
对比例1	/	/	6.4×10<sup>-6</sup>S/cm
				对比例2	/	/	1.6×10<sup>-5</sup>S/cm

结合表1对实施例1-5及对比例1-2进行分析：

在本发明提供的熔融处理工艺中，选择在高温下以液态方式存在且易挥发的硫粉为熔融材料，且其不会与硫化物电解质的原料(硫化锂、五硫化二磷)发生反应，由此，在硫粉的熔融液相状态中，硫化物原料，即硫化锂、五硫化二磷在熔融硫粉的高温液相体系中得到了很好地分散，且硫化物原料不会与液相硫粉发生反应，因此相比于无机溶剂组成的液相体系，该硫粉熔融形成的高温液相体系较为稳定。

其中，熔融温度和熔融保持时间的变化对制备得到的硫化物固态电解质电化学性能的影响为：熔融温度保证硫能完全熔融，让硫化物固态电解质分散效果更好，过高会促进部分硫化物电解质反应，使得阻抗增加，熔融保持时间过短使得分散不充分，阻抗也会增加。

实施例6-7

与实施例1的不同之处在于：步骤S1中硫粉与硫化物原料的质量比例设置不同，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。

表2为实施例1及实施例6-7的工艺参数设置及其性能参数

结合表2对实施例1及实施例6-7进行分析：

Li₂S、P₂S₅、S三者之间的质量比例，对熔融处理工艺或者对制备得到的硫化物固态电解质电化学性能的影响为：硫粉加热熔融，提供的高温液体环境能促进硫化物电解质材料的分散效果，且在热处理过程让硫化物电解质反应更充分，且会完全挥发，对硫化物电解质的热处理过程有很好的促进作用，最终实现硫化物电解质的高离子电导率。

综上所述，本发明提供了一种硫化物固态电解质及其高温液相制备方法。首先，在氩气氛围下，将硫化锂、五硫化二磷和硫粉混合后搅拌均匀，制备得到混合物料；然后，加热至硫粉完全熔融，得到熔融物料；接着，将熔融物料加热至预定加热温度，保持1～3h后，冷却至室温，得到产物；最后，在5～15MPa压强下，进行压片处理，制备得到电化学性能优异的硫化物固态电解质。本发明提供的高温液相的制备方法，采用熔融-加热烧结两步联合工艺，工艺简单、操作过程可控、生产成本低廉、生产效率高，能够进行大规模量产，具备巨大的应用前景。且本发明提供的高温液相制备方法，显著缩短了制备周期，并且该工艺能够有效地实现物料的均匀分散和制备反应的均匀控制。而且该制备工艺过程中，没有副反应的发生，显著提升了制备产物硫化物固态电解质的纯度，使得硫化物固态电解质的电化学性能得到显著提升。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种硫化物固态电解质的高温液相制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S4，将步骤S3制备的所述产物在5～15MPa压强下，进行压片处理，制备得到硫化物固态电解质；

在步骤S2中，所述熔融温度为160～200℃；

在步骤S1中，所述硫化锂、所述五硫化二磷和所述硫粉三者的质量比例为75：25：400。

2.根据权利要求1所述的硫化物固态电解质的高温液相制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述加热温度为220～250℃。

3.根据权利要求1所述的硫化物固态电解质的高温液相制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述搅拌转速为600～1000r/min，所述惰性气体为氩气。

4.根据权利要求1所述的硫化物固态电解质的高温液相制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述熔融温度为180℃。

5.根据权利要求1所述的硫化物固态电解质的高温液相制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述加热温度为240℃。

6.一种根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的硫化物固态电解质的高温液相制备方法制备得到的硫化物固态电解质，其特征在于：所述硫化物固态电解质由硫化锂、五硫化二磷和硫粉三者通过高温液相法制备而成；所述硫化物固态电解质的电导率达到4.2×10^-4 S/cm；

所述硫化物固态电解质的组成结构式如下：

xLi₂S·(100-x)P₂S₅，x＝75；

所述硫化物固态电解质的高温液相制备方法，包括如下步骤：

S1，在惰性气体氛围下，按75：25：400的质量比例，将硫化锂、五硫化二磷和硫粉倒入容器中，以预定搅拌转速进行分散处理，将物料搅拌分散均匀，制备得到混合物料；

S2，将步骤S1搅拌后的所述混合物料加热至180℃的熔融温度，使得所述混合物料中的所述硫粉完全熔融，保持所述硫粉的熔融液相状态30min，得到熔融物料；

S3，将步骤S2制备的所述熔融物料加热至240℃的加热温度，保持2h后，冷却至室温，得到产物；

S4，将步骤S3制备的所述产物在10MPa压强下，进行压片处理，制备得到硫化物固态电解质。