CN114455633A - 固态电池的电解质及其制备方法、固态电池、以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了固态电池的电解质及其制备方法、固态电池、以及车辆，所述电解质为xLi2ZrCl6‑yGaF3，其中0<x<5，0<y<5。通过本发明实施例提供的电解质，其具有粘土状特征，粘土状的电解质可以较为紧密地粘附于具有多孔结构的负极材料上，有助于负极材料中电子和离子的均匀传输。同时，通过电解质中包含的Li2ZrCl6提供较好的电化学性能，其离子电导率可以大于1mS/cm，使得使用该电解质的固态电池可以具有较好的性能。并且该电解质的制备方法简单易行，容易应用于实际生产中。

Description

固态电池的电解质及其制备方法、固态电池、以及车辆
技术领域
本发明涉及电池领域，特别是涉及一种固态电池的电解质、一种固态电池的电解质的制备方法、一种固态电池、以及一种车辆。
背景技术
固态电池是指采用固态电解质的锂离子电池。与传统锂电池相比，全固态电池最突出的优点是安全性。固态电池具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性，固态电解质是固态电池的核心，电解质材料很大程度上决定了固态电池的各项性能参数，如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命。
对于固态电池来说，固态电解质可以与电极之间形成点接触，在接触界面引起电荷转移。由此，固态电解质是否可以与电极保持紧密接触可以较为明显地影响固体电池的性能。但是，现有固态电池中，负极如镍钴锰酸锂(NCM811)电极等的表面通常具有多孔结构，导致固态电解质无法很好地包裹负极材料，导致负极中的电子和离子传导不均匀。
目前针对固态电解质和负极材料无法保持紧密接触的问题，提出的解决方案可以包括共烧结、施加外部压力或者添加离子液体等。但是，共烧结容易出现热分解或者化学扩散的问题。而施加外部压力需要额外占用较多外部空间施加外部压力，从而导致固态电池体积相对较大，且体积能密度降低。而添加离子液体形成固态液态复合电解质在针对厚度高且多孔、高负载密度的负极材料，未必可以获得较高电化学性能。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种固态电池的电解质及其制备方法、固态电池、以及车辆，以实现与负极材料的紧密接触，且可以具有较好的电化学性能。
为了解决上述问题，本发明公开了一种固态电池的电解质，所述电解质为xLi2ZrCl6-yGaF3，其中0<x<5，0<y<5。
可选地，所述电解质包括5Li2ZrCl6-GaF3、4Li2ZrCl6-GaF3、3Li2ZrCl6-GaF3、2Li2ZrCl6-GaF3、Li2ZrCl6-GaF3、Li2ZrCl6-2GaF3、Li2ZrCl6-3GaF3、Li2ZrCl6-4GaF3、Li2ZrCl6-5GaF3中的至少一种。
可选地，所述电解质的储能模量小于1MPa，且损耗模量小于1MPa。
可选地，所述电解质的玻璃化转变温度小于-40℃。
本发明还提供一种固态电池的电解质的制备方法，所述方法包括：
将LiCl、ZrCl4和GaF3加入球磨机中；
球磨2～24小时所述LiCl、ZrCl4和GaF3，得到xLi2ZrCl6-yGaF3，其中0<x<5，0<y<5。
可选地，所述球磨机的球料比为30:1。
可选地，所述球磨机的转速为200～1000r/min。
可选地，所述LiCl与所述ZrCl4之间的摩尔比为2:1；所述LiCl与ZrCl4之和与所述GaF3之间的摩尔比为x:y，其中0<x<5，0<y<5。
本发明还提供一种固态电池，所述固态电池包括如本发明所述的电解质，或者包括如本发明所述制备方法制得的电解质。
本发明还提供一种车辆，所述车辆包括如本发明所述的固态电池。
与现有技术相比，本申请包括以下优点：
通过本发明实施例提供的电解质，其具有粘土状特征，粘土状的电解质可以较为紧密地粘附于具有多孔结构的负极材料上，有助于负极材料中电子和离子的均匀传输。同时，通过电解质中包含的Li2ZrCl6提供较好的电化学性能，其离子电导率可以大于1mS/cm，使得使用该电解质的固态电池可以具有较好的性能。并且该电解质的制备方法简单易行，容易应用于实际生产中。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本发明实施例提供一种固态电池的电解质，所述电解质为xLi2ZrCl6-yGaF3，其中0<x<5，0<y<5。
具体而言，本发明实施例提供了一种包含Ga、以及Cl、F两种卤素的电解质。GaF3本身可以具有较好的柔性，同时通过Ga、以及Cl、F两种卤素形成的复杂阴离子，使电解质可以形成粘土状特征，粘土状的电解质可以较为紧密地粘附于具有多孔结构的负极材料上，有助于负极材料中电子和离子的均匀传输。例如，所述电解质可以与高负载密度(约20mg/cm2)的商业化镍钴锰酸锂(NCM811)电极形成并保持紧密接触，从而该电解质可以较为适用于作为固态电池的阴极电解质。
同时，电解质中包含的Li2ZrCl6可以具有很好的离子电导率，从而可以通过Li2ZrCl6提供较好的电化学性能，其离子电导率可以大于1mS/cm，使得使用该电解质的固态电池可以具有较好的性能。
在本发明的一种实施例中，所述电解质包括5Li2ZrCl6-GaF3、4Li2ZrCl6-GaF3、3Li2ZrCl6-GaF3、2Li2ZrCl6-GaF3、Li2ZrCl6-GaF3、Li2ZrCl6-2GaF3、Li2ZrCl6-3GaF3、Li2ZrCl6-4GaF3、Li2ZrCl6-5GaF3中的至少一种。
其中，根据实际的性能需要，所述电解质可以包括5Li2ZrCl6-GaF3、4Li2ZrCl6-GaF3、3Li2ZrCl6-GaF3、2Li2ZrCl6-GaF3、Li2ZrCl6-GaF3、Li2ZrCl6-2GaF3、Li2ZrCl6-3GaF3、Li2ZrCl6-4GaF3、Li2ZrCl6-5GaF3中的一种，也可以同时包括多种，本发明对此不做限制。
在本发明的一种实施例中，所述电解质的储能模量小于1MPa，且损耗模量小于1MPa。
具体而言，电解质的储能模量以及损耗模量可以与电解质的形态存在关联。本发明制得的电解质的储能模量以及损耗模量可以皆小于1MPa，从而本发明的电解质可以形成具有一定流动性的粘土状特征。通过粘土状特征的电解质，电解质可以类似液体渗透到具有多孔结构的负极材料中，为负极材料中的阴极颗粒提供完整的离子传导路径，并且在电池运行过程中也保持该离子传导路径，从而可以使负极材料中的电子和离子可以均匀地被传导，获得较好的电池性能。
在本发明的一种实施例中，所述电解质的玻璃化转变温度小于-40℃。
具体而言，玻璃化转变温度可以为由玻璃态转变为高弹态所对应的温度。若电解质转变为玻璃态，则可能电解质无法保持负极材料较为紧密地接触，且电导率可能下降。而在电解质的玻璃化温度较低的情况下，电解质可以较难在电池使用过程中转变为玻璃态，从而可以避免电解质由于转变为玻璃态从而性能降低的情况。
本发明制备得到的电解质的玻璃化转变温度小于-40℃，电池在使用过程较难到达该温度，从而采用本发明的电解质的固态电池不会出现电解质由于转变为玻璃态从而性能降低的情况，可以始终保持较好的稳定性。
本发明还提供一种固态电池的电解质的制备方法，所述方法包括：
将LiCl、ZrCl4和GaF3加入球磨机中；
球磨2～24小时所述LiCl、ZrCl4和GaF3，得到xLi2ZrCl6-yGaF3，其中0<x<5，0<y<5。
具体而言，电解质xLi2ZrCl6-yGaF3的制备可以通过球磨的方式制备得到。在球磨过程中，球磨产生的机械能可以促进化学反应的发生，从而使得原料LiCl、ZrCl4和GaF3相互之间发生化学反应，诱导材料组织结构以及性能发生变化，生成xLi2ZrCl6-yGaF3。通过球磨的方式可以简单高效地生成固态电解质，便于实际生产应用。
具体而言，在LiCl、ZrCl4和GaF3相互之间发生化学反应，根据原料比例的不同，可以生成不同的电解质xLi2ZrCl6-yGaF3。其中0<x<5，0<y<5。可以根据实际需要，选择合适的原料比例生成相应的电解质。
在本发明的一种实施例中，所述球磨机的球料比为30:1。
具体而言，所述球磨机的球料比可以为30:1。在该球料比下，LiCl、ZrCl4和GaF3相互之间可以较为充分地混合并产生化学反应，生成固态电解质xLi2ZrCl6-yGaF3。
在本发明的一种实施例中，所述球磨机的转速为200～1000r/min。
具体而言，球磨机的转速可以为200～1000r/min，在该转速范围下，球磨机可以较为充分地研磨LiCl、ZrCl4和GaF3，使LiCl、ZrCl4和GaF3相互之间可以较为充分地混合，并产生足够的机械能，使得LiCl、ZrCl4和GaF3相互之间产生化学反应，生成固态电解质xLi2ZrCl6-yGaF3。
在本发明的一种实施例中，所述LiCl与所述ZrCl4之间的摩尔比为2:1；所述LiCl与ZrCl4之和与所述GaF3之间的摩尔比为x:y，其中0<x<5，0<y<5。
具体而言，LiCl、ZrCl4和GaF3相互之间的比例可以根据所要生成的物质中不同元素的比例决定。在xLi2ZrCl6-yGaF3中，Li与Zr之间的摩尔比保持为2:1，从而LiCl与ZrCl4之间的摩尔比可以为2:1，确保可以生成Li2ZrCl6，而在xLi2ZrCl6-yGaF3中，Li2ZrCl6与GaF3之间的摩尔比例可以为x:y，从而原料LiCl与ZrCl4之和与GaF3之间的摩尔比为x:y，以确保生成的固态电解质xLi2ZrCl6-yGaF3中Li2ZrCl6与GaF3之间的摩尔比例为x:y。其中，0<x<5，0<y<5，可以根据所要生成的电解质，选择合适的x:y摩尔比。
通过本发明实施例提供的电解质，其具有粘土状特征，粘土状的电解质可以较为紧密地粘附于具有多孔结构的负极材料上，有助于负极材料中电子和离子的均匀传输。同时，通过电解质中包含的Li2ZrCl6提供较好的电化学性能，其离子电导率可以大于1mS/cm，使得使用该电解质的固态电池可以具有较好的性能。并且该电解质的制备方法简单易行，容易应用于实际生产中。
本发明还提供一种固态电池，所述固态电池包括如本发明所述的电解质，或者包括如本发明所述制备方法制得的电解质。其中，固态电池的电解质的具体结构形式及工作原理已经在前述实施例中进行了详细说明，此处不再赘述。
通过本发明实施例提供的固态电池，其包含的电解质，其具有粘土状特征，粘土状的电解质可以较为紧密地粘附于具有多孔结构的负极材料上，有助于负极材料中电子和离子的均匀传输。同时，通过电解质中包含的Li2ZrCl6提供较好的电化学性能，其离子电导率可以大于1mS/cm，使得使用该电解质的固态电池可以具有较好的性能。并且该电解质的制备方法简单易行，容易应用于实际生产中。从而该固态电池可以综合具有较好的电化学性能。
本发明还提供一种车辆，所述车辆包括如本发明所述的固态电池。其中，固态电池的电解质的具体结构形式及工作原理已经在前述实施例中进行了详细说明，此处不再赘述。
通过本发明实施例提供的车辆，其包含的固态电池的电解质具有粘土状特征，粘土状的电解质可以较为紧密地粘附于具有多孔结构的负极材料上，有助于负极材料中电子和离子的均匀传输。同时，通过电解质中包含的Li2ZrCl6提供较好的电化学性能，其离子电导率可以大于1mS/cm，使得使用该电解质的固态电池可以具有较好的性能。并且该电解质的制备方法简单易行，容易应用于实际生产中。从而该固态电池可以综合具有较好的电化学性能。采用该固态电池的车辆可以具有更好的稳定性，以及续航能力。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过多个具体的实施例来说明本发明固态电池的电解质的制备方法。
实施例1
将2份的LiCl、1份的ZrCl4和1份的GaF3一起混合放入球磨罐中球磨，球料比为30:1，球磨转速为500r/min，球磨8h后即得到卤化物固态电解质Li2ZrCl6-GaF3。经测试，离子电导率为3mS/cm。
实施例2
将4份的LiCl、2份的ZrCl4和1份的GaF3一起混合放入球磨罐中球磨，球料比为30:1，球磨转速为500r/min，球磨4h后即得到卤化物固态电解质2Li2ZrCl6-GaF3。经测试，离子电导率为2mS/cm。
实施例3
将6份的LiCl、3份的ZrCl4和1份的GaF3一起混合放入球磨罐中球磨，球料比为30:1，球磨转速为500r/min，球磨2h后即得到卤化物固态电解质3Li2ZrCl6-GaF3。经测试，离子电导率为1mS/cm。
综上可知，本发明实施例1～3制备得到的电解质的离子电导率大于1mS/cm，且具有粘土状特征，其可以较为紧密地粘附于具有多孔结构的负极材料上，有助于负极材料中电子和离子的均匀传输。同时电解质可以皆具有较好的离子电导率，可以使得使用该电解质的固态电池可以具有较好的性能。
以上对本发明所提供的一种固态电池的电解质、一种固态电池的电解质的制备方法、一种固态电池、以及一种车辆进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种固态电池的电解质，其特征在于，所述电解质为xLi2ZrCl6-yGaF3，其中0<x<5，0<y<5。
2.根据权利要求1所述的电解质，其特征在于，所述电解质包括5Li2ZrCl6-GaF3、4Li2ZrCl6-GaF3、3Li2ZrCl6-GaF3、2Li2ZrCl6-GaF3、Li2ZrCl6-GaF3、Li2ZrCl6-2GaF3、Li2ZrCl6-3GaF3、Li2ZrCl6-4GaF3、Li2ZrCl6-5GaF3中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的电解质，其特征在于，所述电解质的储能模量小于1MPa，且损耗模量小于1MPa。
4.根据权利要求1所述的电解质，其特征在于，所述电解质的玻璃化转变温度小于-40℃。
5.一种固态电池的电解质的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将LiCl、ZrCl4和GaF3加入球磨机中；
球磨2～24小时所述LiCl、ZrCl4和GaF3，得到xLi2ZrCl6-yGaF3，其中0<x<5，0<y<5。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述球磨机的球料比为30:1。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述球磨机的转速为200～1000r/min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LiCl与所述ZrCl4之间的摩尔比为2:1；所述LiCl与ZrCl4之和与所述GaF3之间的摩尔比为x:y，其中0<x<5，0<y<5。
9.一种固态电池，其特征在于，所述固态电池包括如权利要求1～4任一项的电解质，或者包括如权利要求5～8任一项所述制备方法制得的电解质。
10.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求9所述的固态电池。
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