CN113130980A - 固态电解质及其制备方法、固态锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
一种固态电解质,其结构通式为(1‑x)Li3MCl6‑xLi3NCl6,其中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种,N为In和Sc中的至少一种,0<x<1。本发明还提供一种固态电解质的制备方法,及应用该固态电解质的固态锂离子电池。本发明应用该固态电解质的固态锂离子电池具有离子电导率较高和界面相容性较佳的优点。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域,尤其涉及一种固态电解质,该固态电解质的制备方法,及应用该固态电解质的固态锂离子电池。
背景技术
目前,锂离子电池正朝向大容量、高功率、长寿命、及更安全的方向发展。锂离子电池包括采用有机液体电解质的锂离子电池和采用固态电解质的固态锂离子电池。采用有机液体电解质的锂离子电池存在许多缺点,如易短路、易爆炸等,限制了其在电动汽车和新能源产业领域的应用。
采用固态电解质的固态锂离子电池不仅可克服上述缺点,还具有能量密度高、机械强度高、容量大、封装工艺简单等优点,在锂离子电池领域具有极大的应用价值和发展前景。然而,全固态锂离子电池的正极和负极被固态电解质所隔离,导致全固态锂离子电池存在离子电导率较低和界面相容性较差的缺点。
发明内容
有鉴于此,有必要提供一种固态电解质,以解决上述固态锂离子电池的离子电导率较低和界面相容性较差的问题。
另,还有必要提供一种固态电解质的制备方法。
另,还有必要提供一种固态锂离子电池。
一种固态电解质,其结构通式为(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6,其中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种,N为In和Sc中的至少一种,0<x<1。
进一步地,所述M为Y、La、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、及Lu中的至少一种。
进一步地,所述Li3MCl6为正交晶系;和/或
所述Li3NCl6为单斜晶系。
进一步地,0.2≤x≤0.8。
一种固态电解质的制备方法,包括以下步骤:
提供LiCl、MCl3、及NCl3,其中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种,N为In和Sc中的至少一种;
混合所述MCl3和部分LiCl,得到第一混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3MCl6;
混合所述NCl3和另一部分LiCl,得到第二混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3NCl6前驱体;
对所述Li3NCl6前驱体进行退火处理,得到Li3NCl6;
混合所述Li3MCl6和Li3NCl6,得到第三混合物;及
对所述第三混合物进行复合处理,得到固态电解质,其中,所述固态电解质的结构通式为(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6,0<x<1。
进一步地,所述第一次高能球磨处理和第二次高能球磨处理的球料比为20~50:1,转速为200~600转/分钟,球磨时间为10~60h;和/或
所述退火处理的温度为200~600℃,时间为1~30h。
进一步地,所述复合处理为研磨所述第三混合物1h以上;或
所述复合处理为将所述第三混合物加热至500~700℃,保温2~10h;或
所述复合处理为对所述第三混合物进行第三次高能球磨处理,所述第三次高能球磨处理的球料比为20~50:1,转速为200~600转/分钟,球磨时间为10~60h。
进一步地,所述M为Y、La、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、及Lu中的至少一种;和/或
所述第一混合物中,所述LiCl和MCl3的摩尔比为2.5~3.3:1;和/或
所述第二混合物中,所述LiCl和NCl3的摩尔比为2.5~3.3:1;和/或
所述Li3MCl6为正交晶系;和/或
所述Li3NCl6为单斜晶系;和/或
0.2≤x≤0.8。
一种固态锂离子电池,包括固态电解质层,所述固态电解质层的材质为上述固态电解质。
进一步地,所述固态电解质层的厚度为300~600μm。
本发明所提供的固态电解质的结构通式为(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6,其中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种,N为In和Sc中的至少一种,0<x<1。Li3MCl6的。M的半径较大、电负性较小,所述Li3MCl6可与固态锂离子电池的负极稳定地接触。N的半径较小,电负性较大,可使Li3NCl6具有较高的室温离子电导率较高,进而可提高该固态电解质的室温离子电导率。所述Li3MCl6和Li3NCl6协同作用,可使该固态锂离子电池不仅具有较高的离子电导率,还具有较佳的界面相容性。
附图说明
图1为本发明实施例一的固态电解质的XRD图。
图2为本发明实施例一的固态电解质的阻抗图谱。
图3为本发明实施例一的固体锂离子电池的首周充放电曲线图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。
在本发明的各实施例中,为了便于描述而非限制本发明,本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接,不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也相应地改变。
本发明实施例提供一种固态电解质,应用于固态锂离子电池。
所述固态电解质的结构通式为(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6。
在一实施例中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种。优选地,所述M为Y、La、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、及Lu中的至少一种。
在一实施例中,N为In和Sc中的至少一种。
在一实施例中,0<x<1,优选为0.2≤x≤0.8。
在一实施例中,所述Li3NCl6为单斜晶系(C2/m空间群)。
本发明所提供的固态电解质的结构通式为(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6,其中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种,N为In和Sc中的至少一种,0<x<1。Li3MCl6的。M的半径较大、电负性较小,所述Li3MCl6可与固态锂离子电池的负极稳定地接触。N的半径较小,电负性较大,可使Li3NCl6具有较高的室温离子电导率较高,进而可提高该固态电解质的室温离子电导率。所述Li3MCl6和Li3NCl6协同作用,可使该固态锂离子电池不仅具有较高的离子电导率,还具有较佳的界面相容性,进而使得该固态锂离子电池具有能量密度高、循环性能佳、安全性强、和使用寿命长的优点。
本发明实施例还提供一种固态电解质的制备方法,包括以下步骤:
步骤S1:提供LiCl、MCl3、及NCl3,其中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种,N为In和Sc中的至少一种;
步骤S2:混合所述MCl3和部分LiCl,得到第一混合物;
步骤S3:在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3MCl6;
步骤S4:混合所述NCl3和另一部分LiCl,得到第二混合物;
步骤S5:在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3NCl6前驱体;
步骤S6:对所述Li3NCl6前驱体进行退火处理,得到具有较佳离子电导率的Li3NCl6;
步骤S7:混合所述Li3MCl6和Li3NCl6,得到第三混合物;
步骤S8:对所述第三混合物进行复合处理,得到固态电解质。
所述固态电解质的结构通式为(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6,0<x<1,优选地,0.2≤x≤0.8。
在一实施例中,所述M优选为Y、La、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、及Lu中的至少一种。
在一实施例中,所述第一次高能球磨处理和第二次高能球磨处理的球料比为20~50:1,转速为200~600转/分钟,球磨时间为10~60h。
在一实施例中,所述第一次高能球磨处理和第二次高能球磨处理中使用的惰性气体为氩气、氮气、氦气、或二氧化碳。
在一实施例中,所述第一混合物中,所述LiCl和MCl3的摩尔比为2.5~3.3:1。
在一实施例中,所述第二混合物中,所述LiCl和NCl3的摩尔比为2.5~3.3:1。
在一实施例中,所述Li3NCl6为单斜晶系(C2/m空间群)。
在一实施例中,所述复合处理为于研钵中研磨所述第三混合物1h以上。
在另一实施例中,所述复合处理为将所述第三混合物加热至500~700℃,保温2~10h。
在又一实施例中,所述复合处理为对所述第三混合物进行第三次高能球磨处理,所述第三次高能球磨处理的球料比为20~50:1,转速为200~600转/分钟,球磨时间为10~60h。
本发明实施例还提供一种固态锂离子电池。
所述固态锂离子电池包括固态电解质层,所述固态电解质层的材质为所述固态电解质。
在一实施例中,所述固态电解质层的厚度为300~600μm,例如为,300μm、400μm、500μm、或600μm。
由于该固态锂离子电池采用了上述所有实施例的全部技术方案,因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果,在此不再一一赘述。
所述固态锂离子电池还包括正极和铟负极,所述固态电解质层设于所述正极和铟负极之间。
在一实施例中,所述正极含有正极活性材料和(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6。所述正极活性材料与(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6的质量比为60~90:10~40,优选为80:20。
在一实施例中,可通过研磨将所述正极活性材料和(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6混合均匀。
所述正极活性材料可为LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiVO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiMn2O4、Li4Ti5O12、Li(Ni0.5Mn1.5)O4、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、及LiCoPO4中的至少一种。
下面通过具体的实施例来对本发明进行具体说明。
实施例一
提供LiCl(纯度为99.99%)和YCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与YCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和YCl3,得到第一混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3YCl6,其中,所述第一次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
提供LiCl(纯度为99.99%)和ScCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与ScCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和ScCl3,得到第二混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3ScCl6前驱体,其中,所述第二次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
对所述Li3ScCl6前驱体进行退火处理,得到Li3ScCl6,其中,所述退火处理的时间为6h,温度为600℃;
混合3.87g Li3YCl6和2.23g Li3ScCl6,得到第三混合物;
对所述第三混合物进行高温融化融合处理,得到实施例一的固态电解质0.6Li3YCl6-0.4Li3ScCl6(参图1),其中,所述高温融化融合处理在真空密封的石英管中进行,所述高温融化融合处理的温度为580℃,时间为6h;
提供70mg实施例一的固态电解质、14mg正极、和铟负极,其中,所述正极含有质量比为80:20的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2和0.6Li3YCl6-0.4Li3ScCl6,所述铟负极的厚度为200μm,直径为10mm;
将所述正极和所述实施例一的固态电解质层叠地置于直径为10mm的绝缘性外筒中,以360MPa的压力进行加压成型处理后,于所述正极远离固态电解质层的一侧设置铝箔,于所述固态电解质层远离正极的一侧设置铟负极,以80MPa的压力进行加压成型处理,得到层叠体;及
于层叠体的上下侧分别设置不锈钢集电体,并在不锈钢集电体上设置集电引线,得到实施例一的固态锂离子电池。
参图2,根据实施例一的固态电解质的阻抗图谱,可计算出实施例一的固态电解质室温离子电导率为1.34mS.cm-1。
参图3,所述固体锂离子电池具有较高的首周充电容量。
实施例二
提供LiCl(纯度为99.99%)和YCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与YCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和YCl3,得到第一混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3YCl6,其中,所述第一次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
提供LiCl(纯度为99.99%)和ScCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与ScCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和ScCl3,得到第二混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3ScCl6前驱体,其中,所述第二次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
对所述Li3ScCl6前驱体进行退火处理,得到Li3ScCl6,其中,所述退火处理的时间为6h,温度为600℃;
混合5.80g Li3YCl6和0.57g Li3ScCl6,得到第三混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第三混合物进行第三次高能球磨处理,得到实施例二的固态电解质0.9Li3YCl6-0.1Li3ScCl6,其中,该第三次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为400转/分钟,时间为5h;
提供70mg实施例二的固态电解质、14mg正极、和铟负极,其中,所述正极含有质量比为80:20的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2和0.9Li3YCl6-0.1Li3ScCl6,所述铟负极的厚度为200μm,直径为10mm;
将所述正极和所述实施例二的固态电解质层叠地置于直径为10mm的绝缘性外筒中,以360MPa的压力进行加压成型处理后,于所述正极远离固态电解质层的一侧设置铝箔,于所述固态电解质层远离正极的一侧设置铟负极,以80MPa的压力进行加压成型处理,得到层叠体;及
于层叠体的上下侧分别设置不锈钢集电体,并在不锈钢集电体上设置集电引线,得到实施例二的固态锂离子电池。
实施例三:
提供LiCl(纯度为99.99%)和ErCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与ErCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和ErCl3,得到第一混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3ErCl6,其中,所述第一次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
提供LiCl(纯度为99.99%)和InCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与InCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和InCl3,得到第二混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3InCl6前驱体,其中,所述第二次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
对所述Li3InCl6前驱体进行退火处理,得到Li3InCl6,其中,所述退火处理的时间为6h,温度为280℃;
混合4.68g Li3ErCl6和1.74g Li3InCl6,得到第三混合物;
于玛瑙研钵中研磨所述第三混合物2h,得到实施例三的固态电解质0.7Li3ErCl6-0.3Li3InCl6;
提供70mg实施例三的固态电解质、14mg正极、和铟负极,其中,所述正极含有质量比为80:20的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2和0.7Li3ErCl6-0.3Li3InCl6,所述铟负极的厚度为200μm,直径为10mm;
将所述正极和所述实施例三的固态电解质层叠地置于直径为10mm的绝缘性外筒中,以360MPa的压力进行加压成型处理后,于所述正极远离固态电解质层的一侧设置铝箔,于所述固态电解质层远离正极的一侧设置铟负极,以80MPa的压力进行加压成型处理,得到层叠体;及
于层叠体的上下侧分别设置不锈钢集电体,并在不锈钢集电体上设置集电引线,得到实施例三的固态锂离子电池。
实施例四
提供LiCl(纯度为99.99%)和TmCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与TmCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和TmCl3,得到第一混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3TmCl6,其中,所述第一次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
提供LiCl(纯度为99.99%)和ScCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与ScCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和ScCl3,得到第二混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3ScCl6前驱体,其中,所述第二次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
对所述Li3ScCl6前驱体进行退火处理,得到Li3ScCl6,其中,所述退火处理的时间为6h,温度为600℃;
混合1.51g Li3TmCl6和5.92g Li3ScCl6,得到第三混合物;
对所述第三混合物进行高温融化融合处理,得到实施例四的固态电解质0.15Li3TmCl6-0.85Li3ScCl6,其中,所述高温融化融合处理在真空密封的石英管中进行,所述高温融化融合处理的温度为580℃,时间为6h;
提供70mg实施例四的固态电解质、14mg正极、和铟负极,其中,所述正极含有质量比为80:20的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2和0.15Li3TmCl6-0.85Li3ScCl6,所述铟负极的厚度为200μm,直径为10mm;
将所述正极和所述实施例四的固态电解质层叠地置于直径为10mm的绝缘性外筒中,以360MPa的压力进行加压成型处理后,于所述正极远离固态电解质层的一侧设置铝箔,于所述固态电解质层远离正极的一侧设置铟负极,以80MPa的压力进行加压成型处理,得到层叠体;及
于层叠体的上下侧分别设置不锈钢集电体,并在不锈钢集电体上设置集电引线,得到实施例四的固态锂离子电池。
实施例五
提供LiCl(纯度为99.99%)、DyCl3(纯度为99.99%)、及HoCl3(99.99%),其中,LiCl、DyCl3与HoCl3的摩尔比为3:0.6:0.4;
混合LiCl、DyCl3与HoCl3,得到第一混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3Dy0.6Ho0.4Cl6,其中,所述第一次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
提供LiCl(纯度为99.99%)和ScCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与ScCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和ScCl3,得到第二混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3ScCl6前驱体,其中,所述第二次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
对所述Li3ScCl6前驱体进行退火处理,得到Li3ScCl6,其中,所述退火处理的时间为6h,温度为600℃;
混合3.31g Li3Dy0.6Ho0.4Cl6和2.32g Li3ScCl6,得到第三混合物;
对所述第三混合物进行高温融化融合处理,得到实施例五的固态电解质0.5Li3Dy0.6Ho0.4Cl6-0.5Li3ScCl6,其中,所述高温融化融合处理在真空密封的石英管中进行,所述高温融化融合处理的温度为580℃,时间为4h;
提供70mg实施例五的固态电解质、14mg正极、和铟负极,其中,所述正极含有质量比为80:20的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2和0.5Li3Dy0.6Ho0.4Cl6-0.5Li3ScCl6,所述铟负极的厚度为200μm,直径为10mm;
将所述正极和所述实施例五的固态电解质层叠地置于直径为10mm的绝缘性外筒中,以360MPa的压力进行加压成型处理后,于所述正极远离固态电解质层的一侧设置铝箔,于所述固态电解质层远离正极的一侧设置铟负极,以80MPa的压力进行加压成型处理,得到层叠体;及
于层叠体的上下侧分别设置不锈钢集电体,并在不锈钢集电体上设置集电引线,得到实施例五的固态锂离子电池。
实施例六
提供LiCl(纯度为99.99%)、YCl3(纯度为99.99%)、LaCl3(纯度为99.99%)、及LuCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl、YCl3、LaCl3、及LuCl3的摩尔比为3:0.8:0.1:0.1;
混合LiCl、YCl3、LaCl3、及LuCl3,得到第一混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3Y0.8La0.1Lu0.1Cl6,其中,所述第一次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
提供LiCl(纯度为99.99%)、InCl3(纯度为99.99%)、和ScCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl、InCl3与ScCl3的摩尔比为3:0.5:0.5;
混合LiCl、InCl3与ScCl3,得到第二混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3In0.5Sc0.5Cl6前驱体,其中,所述第二次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
对所述Li3In0.5Sc0.5Cl6前驱体进行退火处理,得到Li3In0.5Sc0.5Cl6,其中,所述退火处理的时间为4h,温度为280℃;
混合2.35g Li3Y0.8La0.1Lu0.1Cl6和4.07g Li3In0.5Sc0.5Cl6,得到第三混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第三混合物进行第三次高能球磨处理,得到实施例六的固态电解质0.35Li3Y0.8La0.1Lu0.1Cl6-0.65Li3In0.5Sc0.5Cl6,其中,所述第三次高能球磨处理的球料比为30:1,转速为300转/分钟,时间为2h;
提供70mg实施例六的固态电解质、14mg正极、和铟负极,其中,所述正极含有质量比为80:20的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2和0.35Li3Y0.8La0.1Lu0.1Cl6-0.65Li3In0.5Sc0.5Cl6,所述铟负极的厚度为200μm,直径为10mm;
将所述正极和所述实施例六的固态电解质层叠地置于直径为10mm的绝缘性外筒中,以360MPa的压力进行加压成型处理后,于所述正极固态电解质层的一侧设置铝箔,于所述固态电解质层远离正极的一侧设置铟负极,以80MPa的压力进行加压成型处理,得到层叠体;及
于层叠体的上下侧分别设置不锈钢集电体,并在不锈钢集电体上设置集电引线,得到实施例六的固态锂离子电池。
对比例一
提供LiCl(纯度为99.99%)和YCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与YCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和YCl3,得到混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述混合物进行高能球磨处理,得到对比例一的固态电解质Li3YCl6,其中,所述高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
提供70mg对比例一的固态电解质、14mg正极、和铟负极,其中,所述正极含有质量比为80:20的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2和Li3YCl6,所述铟负极的厚度为200μm,直径为10mm;
将所述正极和所述对比例一的固态电解质层叠地置于直径为10mm的绝缘性外筒中,以360MPa的压力进行加压成型处理后,于所述正极远离固态电解质层的一侧设置铝箔,于所述固态电解质层远离正极的一侧设置铟负极,以80MPa的压力进行加压成型处理,得到层叠体;及
于层叠体的上下侧分别设置不锈钢集电体,并在不锈钢集电体上设置集电引线,得到对比例一的固态锂离子电池。
对比例二
提供LiCl(纯度为99.99%)和ScCl3(纯度为99.99%),其中,LiCl与ScCl3的摩尔比为3:1;
混合LiCl和ScCl3,得到混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述混合物进行高能球磨处理,得到Li3ScCl6前驱体,其中,所述高能球磨处理的球料比为30:1,转速为500转/分钟,时间为40h;
对所述Li3ScCl6前驱体进行退火处理,得到对比例二的固态电解质Li3ScCl6,其中,所述退火处理的时间为6h,温度为600℃;
提供70mg对比例二的固态电解质、14mg正极、和铟负极,其中,所述正极含有质量比为80:20的Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2和Li3ScCl6,所述铟负极的厚度为200μm,直径为10mm;
将所述正极和所述对比例二的固态电解质层叠地置于直径为10mm的绝缘性外筒中,以360MPa的压力进行加压成型处理后,于所述正极远离固态电解质层的一侧设置铝箔,于所述固态电解质层远离正极的一侧设置铟负极,以80MPa的压力进行加压成型处理,得到层叠体;及
于层叠体的上下侧分别设置不锈钢集电体,并在不锈钢集电体上设置集电引线,得到对比例二的固态锂离子电池。
于室温下,对实施例一至六的固态电解质和对比例一至二的固态电解质的阻抗进行测试,以通过阻抗测试结果计算出离子电导率。
表1实施例一至六的固态电解质和对比例一至二的固态电解质的室温离子电导率
室温离子电导率(mS.cm<sup>-1</sup>) | |
实施例一 | 1.34 |
实施例二 | 0.72 |
实施例三 | 1.27 |
实施例四 | 0.97 |
实施例五 | 1.34 |
实施例六 | 1.38 |
对比例一 | 0.65 |
对比例二 | 1.21 |
请参表1,实施例一至六的固态电解质具有较佳的离子电导率。
对实施例一至六的固态锂离子电池和对比例一至二的固态锂离子电池的循环性能进行测试。所述循环性能测试的电流密度为0.2C,电压为1.9~3.68V。测试结果如表2所示。
表2实施例一至六的固态锂离子电池和对比例一至二的固态锂离子电池的循环性能
请参表2,实施例一至六的固态锂离子电池具有较高的循环效率和较佳的循环容量。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照以上较佳实施方式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等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种固态电解质,其特征在于,所述固态电解质的结构通式为(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6,其中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种,N为In和Sc中的至少一种,0<x<1。
2.如权利要求1所述的固态电解质,其特征在于,所述M为Y、La、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、及Lu中的至少一种。
3.如权利要求1所述的固态电解质,其特征在于,所述Li3MCl6为正交晶系;和/或
所述Li3NCl6为单斜晶系。
4.如权利要求1所述的固态电解质,其特征在于,0.2≤x≤0.8。
5.一种固态电解质的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供LiCl、MCl3、及NCl3,其中,M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及Lu中的至少一种,N为In和Sc中的至少一种;
混合所述MCl3和部分LiCl,得到第一混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第一混合物进行第一次高能球磨处理,得到Li3MCl6;
混合所述NCl3和另一部分LiCl,得到第二混合物;
在惰性气氛的保护下,对所述第二混合物进行第二次高能球磨处理,得到Li3NCl6前驱体;
对所述Li3NCl6前驱体进行退火处理,得到Li3NCl6;
混合所述Li3MCl6和Li3NCl6,得到第三混合物;及
对所述第三混合物进行复合处理,得到固态电解质,其中,所述固态电解质的结构通式为(1-x)Li3MCl6-xLi3NCl6,0<x<1。
6.如权利要求5所述的固态电解质的制备方法,其特征在于,所述第一次高能球磨处理和第二次高能球磨处理的球料比为20~50:1,转速为200~600转/分钟,球磨时间为10~60h;和/或
所述退火处理的温度为200~600℃,时间为1~30h。
7.如权利要求5所述的固态电解质的制备方法,其特征在于,所述复合处理为研磨所述第三混合物1h以上;或
所述复合处理为将所述第三混合物加热至500~700℃,保温2~10h;或
所述复合处理为对所述第三混合物进行第三次高能球磨处理,所述第三次高能球磨处理的球料比为20~50:1,转速为200~600转/分钟,球磨时间为10~60h。
8.如权利要求5所述的固态电解质的制备方法,其特征在于,所述M为Y、La、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、及Lu中的至少一种;和/或
所述第一混合物中,所述LiCl和MCl3的摩尔比为2.5~3.3:1;和/或
所述第二混合物中,所述LiCl和NCl3的摩尔比为2.5~3.3:1;和/或
所述Li3MCl6为正交晶系;和/或
所述Li3NCl6为单斜晶系;和/或
0.2≤x≤0.8。
9.一种固态锂离子电池,其特征在于,所述固态锂离子电池包括固态电解质层,所述固态电解质层的材质为如权利要求1-4任一项所述的固态电解质。
10.如权利要求9所述的固态锂离子电池,其特征在于,所述固态电解质层的厚度为300~600μm。
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DONGSU PARK, ET AL.: "Theoretical Design of Lithium Chloride Superionic Conductors for All-Solid-State High-Voltage Lithium-Ion Batteries", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》, pages 34806 - 34812 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7174181B1 (ja) * | 2021-07-21 | 2022-11-17 | 住友化学株式会社 | リチウム含有塩化物及びその製造方法、並びに固体電解質及び電池 |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN113130980B (zh) | 2023-11-07 |
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