DE102020210545A1

DE102020210545A1 - Festelektrolyt mit migrierbaren Alkalimetallionen sowie Herstellungsverfahren und Anwendungen dafür

Info

Publication number: DE102020210545A1
Application number: DE102020210545.6A
Authority: DE
Inventors: Yuping Wu; Zaichun Liu; Yusong ZHU; Lijun Fu; Yuhui Chen; Jian Zheng
Original assignee: Dkj New Energy S & T Co Ltd
Current assignee: Dkj New Energy S & T Co Ltd
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2021-02-25
Also published as: CN110492174A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen sowie ein Herstellungsverfahren und eine Anwendung für den Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen. Der Festelektrolyt der vorliegenden Erfindung hat niedrige Kosten, eine hohe Ionenleitfähigkeit, ein breites elektrochemisches Fenster, eine hohe Zyklusstabilität, eine herausragende elektrochemische Stabilität und mechanische Festigkeit, wodurch die Bildung von Alkalimetalldendriten wirksam zurückgehalten werden kann.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Elektrochemie und insbesondere auf einen Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen sowie ein Herstellungsverfahren und eine Anwendung für den Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen.
Stand der Technik
Eine kommerzielle Alkalimetallbatterie hat die Merkmale wie hohe Energiedichte, hohes spezifisches Leistung, gute Zyklusleistung, keinen Memory-Effekt und keine Belastung. Durch die erfolgreichen Anwendung von Alkalimetallbatterien wurden große wirtschaftliche Vorteile, soziale Vorteile und strategische Bedeutungen erzielt und sie ist derzeit zur bekanntesten umweltfreundlichen chemischen Energieversorgung geworden (siehe: WU Yuping, DAI Xiaobing, MA Junqi, CHENG Yujiang, „Lithium-Ionen-Batterie - Anwendungen und Praxis“, Beijing: Chemische Industrie Verlag, 2004). Aber aus der Verwendung von organischen Polymermembranen in den derzeitigen kommerziellen Alkalimetallbatterien und der Zugabe von flüssigen organischen Elektrolyten mit niedrigem Flammpunkt ergibt sich Sicherheitsprobleme wie entzündliche und explosive Gefahr, was den Anwendungsbereich von Alkalimetallbatterien mit flüssigen organischen Elektrolyten beschränkt.
Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Gesellschaft, der kontinuierlichen Verbreitung von Elektrofahrzeugen und Energiespeichern wie intelligenten Netzen werden höhere Anforderungen an die hohe Leistung und Sicherheit der Alkalimetallbatterien gestellt. Alkalimetalle haben hohe theoretische Kapazität (z.B. 3860 mAh/g für Lithiummetall) und niedriges Reduktionspotential (z.B. -3,04 V für Lithiummetall) und wird daher als das idealste Material für die negative Elektrode einer wiederaufladbaren und entladbaren Batterien der nächsten Generation mit hoher Energiedichte betrachtet. Aber es gibt die folgenden Probleme bei der Verwendung eines Alkalimetalls als Material für die negative Elektrode: die herkömmliche poröse Membran würde durch die gebildeten Alkalimetalldendriten eingedrungen werden, was zu einem Kurzschluss zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode führt, wodurch schwerwiegende Sicherheitsprobleme und Abschluss der Lebensdauer verursacht werden. Eine feste Alkalimetallbatterie, in der ein Festelektrolytmaterial verwendet wird, kann die Bildung von Alkalimetalldendriten wirksam zurückhalten, so dass die Batterie Vorteile wie gute Sicherheitsleistung, hohe Energiedichte und lange Lebensdauer hat, weswegen es die Aufmerksamkeit des wissenschaftlichen und industriellen Bereichs auf sich gezogen hat (siehe: WU Yuping, ZHANG Hanping, WU Feng usw., „Umweltfreundliches Material für Stromversorgung“, Beijing: Chemische Industrie Verlag, Mai 2008). Da kein flüssiger Elektrolyt mit niedrigem Flammpunkt verwendet wird, wird ein Festelektrolyt auf Alkalimetallbasis im Allgemeinen als Schlüsselfaktor für die Überwindung des technischen Engpass bei der Verwendung von Alkalimetallen als negative Elektrode betrachtet, was die praktische Anwendung von Alkalimetallbatteriesystemen mit hoher Energiedichte weiter gefördert wird.
Zu den Festelektrolyten gehören Polymer-Festelektrolyte, anorganischen Festelektrolyte und Verbundelektrolyte (siehe: WU Yuping, WAN Chunrong, JIANG Changyin, FANG Shibi, „Lithium-Ionen-Sekundärbatterie“, Beijing: Chemische Industrie Verlag, 2002). Ein Polymer-Festelektrolyt besteht vor allem aus einem Lithiumsalz und einem Polymer. Übliche Polymere sind z.B. Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyvinylidenfluorid (PVDF). Ein anorganischer Festelektrolyt besteht vor allem aus einem anorganischen Superionenleitermaterial mit einer guten Ionenübertragungseigenschaft, durch die das Eindringen der Alkalimetalldendriten in den Elektrolyten und der dadurch bedingte Kurzschluss in der Batterie effektiv verhindert werden können. Die üblichen anorganischen Festelektrolyte umfassen vor allem den amorphen Sulfidtyp, Perowskit (Perovskite)-Typ, NASICON-Typ, LISICON-Typ, Granat (Garnet)-Typ, Li₃N-Typ usw. (siehe: Arumugam Manthiram et al, Nature Reviews Materials, Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes Seite 16103, Vol. 2, 2017). Im Vergleich mit den Polymer-Festelektrolyten kann die chemische Stabilität der meisten anorganischen Festelektrolyten in einem größeren Temperaturbereich aufrechterhalten werden, sodass die Batterien auf Basis von anorganischen Festelektrolyten eine höhere Sicherheit aufweisen.
Obwohl anorganische Festelektrolyten umfangreich untersucht wurden, haben vorhandene anorganische Festelektrolytmaterialien die Probleme wie hohe Rohstoffkosten (z.B. LISICON und Granat benötigen teure Rohstoffe wie Ge, Zr oder La, um eine hohe Ionenleitfähigkeit zu erzielen) und begrenzte Ressourcen von Ge, Zr, und La, was seine kommerzielle Anwendung begrenzt. Andererseits ist die theoretische Zersetzungsspannung von Sulfiden und Li₃N niedrig, was die Anforderungen von Hochspannungs-Alkalimetallbatterien nicht erfüllen kann. Um die oben genannten Probleme zu lösen, haben der Erfinder einen anorganischen Festelektrolyten mit hoher Spannung, geringen Kosten und hoher Leistung nach langfristiger Erforschung erfunden.
Inhalte der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen für eine feste Alkalimetallbatterie bereitzustellen, wobei der Festelektrolyt die Vorteile wie hohe Ionenleitfähigkeit, gute Stabilität und niedrige Rohstoffkosten hat, wodurch die Probleme wie hohe Rohstoffkosten und begrenzte Ressourcen der herkömmlichen Festelektrolyten gelöst werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren für den Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anwendung des Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen in einer festen Alkalimetallbatterie bereitzustellen.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung können durch die folgenden technischen Lösungen erfüllt werden.
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen bereit, der die Zusammensetzung der Formel (I) aufweist: $A_{x} D_{y} E_{z} (I)$
worin:

A Alkalimetall Li, Na oder K ist;
D Al oder Si ist,
E O und optional B, optional N oder optional P ist;
x 0,1-4, bevorzugt 0,5-3, bevorzugter 0,8-2,5, meist bevorzugt 1,0-2,0 beträgt,
y 0,1-4, bevorzugt 0,2-3, bevorzugter 0,5-2,5, meist bevorzugt 0,5-2,0 beträgt,
z 0,5-6, bevorzugt 1,0-5,0, bevorzugter 1,5-4,5, meist bevorzugt 2,0-4,0 beträgt, unter der Voraussetzung, dass wenn D eines von Al und Si ist oder wenn das Al/Si-Verhältnis 1 beträgt, eines oder beide von A und E für mindestens zwei Elemente steht oder stehen.

In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann das Alkalimetall teilweise durch ein anderes Metallelement J ersetzt werden. Das andere Metallelement J kann z.B. Mg oder Ca sein, dessen Gehalt 0 bis 10% des gesamten Molgehalts der Alkalimetallelemente beträgt, bevorzugt 0,01 bis 8% des gesamten Molgehalts der Alkalimetallelemente beträgt und bevorzugter 0,05 bis 5% des gesamten Molgehalts der Alkalimetallelemente beträgt.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann D teilweise durch ein anderes Element L ersetzt werden. Das andere Element L kann z.B. In, Ga, Ti oder Sn sein, dessen Gehalt 0 bis 10% des gesamten Molgehalts von Al- und Si-Elementen beträgt, bevorzugt 0,01 bis 8% des gesamten Molgehalts von Al- und Si-Elementen beträgt und bevorzugter 0,05 bis 5% des gesamten Molgehalts von Al- und Si-Elementen beträgt.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann E teilweise durch ein anderes negatives Element M ersetzt werden. Das andere negative Element M kann z.B. F, Cl, Br, I, Se oder Te sein, dessen Gehalt 0 bis 50% des gesamten Molgehalts von O-, N-, P- und B-Elementen beträgt, bevorzugt 0,01 bis 20% des gesamten Molgehalts von O-, N-, P- und B-Elementen beträgt und bevorzugter 0,05 bis 10% des gesamten Molgehalts von O-, N-, P- und B-Elementen beträgt.
Der Festelektrolyt in der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt Li_0.9Na_0.1(AlSiO₄), Li_0.9Na_0.05K_0.05(AlSiO₄), NaAl_0.5B_0.5O₂, K₂SiA1O₃P, Li_0.75Na_0.2K_0.05Si_0.75Ti_0.25ON, K_0.01Na_0.98Li_0.01SiAlO_3.85Se_0.15 oder K_0.01N a_0.98Li_0.01AlSiCa_0.015O₄N_0.01.
In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für den Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen bereit. Das Verfahren umfasst Schleifen von Vorläufern von A, D und E, Formen und Sintern.
Das Schleifen kann durch ein beliebiges, dem Fachmann bekanntes Verfahren und bevorzugt durch Kugelschliff durchgeführt werden. Die Schleifzeit ist nicht begrenzt, solange eine Nanomischung erhalten wird. Die Größe der Nanopartikel ist hilfreich für weitere synthetische Verarbeitung und Formgebung. Die durchschnittliche Nanopartikelgröße ist nicht besonders beschränkt, z.B. sie kann 10 bis 500 nm, bevorzugt 15 bis 400 nm und bevorzugter 20 bis 300 nm betragen, gemessen durch Laserbeugung. Das Schleifen kann unter normaler Temperatur und normalem Druck sowie in einer Luftatmosphäre durchgeführt werden. Das Schleifen kann auch in einer Schutzatmosphäre wie Argon durchgeführt werden.
Das Formen kann durch ein beliebiges, dem Fachmann bekanntes Verfahren durchgeführt werden, wie durch Extrudieren, Kalandrieren, oder Spritzgießen, bevorzugt durch Kalandrieren. Der Druck und die Temperatur beim Kalandrieren können nach der erforderlichen Produktdichte bestimmt werden, z.B. der Kalandrierdruck kann 0,1 bis 300 MPa betragen und die Kalandriertemperatur kann 25 bis 800 °C betragen. Die Lineargeschwindigkeit beim Kalandrieren kann 10 bis 300 m/min, bevorzugt 50 bis 200 m/min betragen.
Das Sintern kann bei 400-1500°C, bevorzugt 500-1200°C, bevorzugter 600-1000°C durchgeführt werden. Die Sinterzeit kann 1 Minute bis 48 Stunden, bevorzugt 10 Minuten bis 20 Stunden und bevorzugter 1 bis 15 Stunden betragen. Das Sintern umfasst, aber nicht beschränkt darauf, gewöhnliches Sintern, Heißpresssintern, Atmosphärensintem, Reaktionssintern, Flüssigphasensintern, heißisostatisches Presssintern, Vakuum sintern, Mikrowellensintern, und Lichtbogenplasmasintern. Bevorzugt ist Mikrowellensintern, wodurch das hergestellte Material gleichmäßiger wird.
Ein Vorläufer bezieht sich auf eine chemische Verbindung, die nach dem Sintern das entsprechende Element von A, D oder E erzeugt, inkl. Oxiden, Hydroxiden, Salzen usw.
Der Vorläufer eines Alkalimetalls umfasst, aber nicht beschränkt darauf, LiC1O₄, LiBF₄, LiPF₆, LiBOB, Li₂CO₃, LiHCO₃, LiAc, LiNO₃, LiOH, Li₂SO₄, LiBH₄, NaClO₄, NaBF₄, NaPF₆, NaBOB, Na₂CO₃, NaHCO₃, NaNO₃, NaOH, NaBH4, KClO₄, KBF₄, KPF₆, K₂CO₃, KNO₃, KHCO₃, K₂SO₄, KOH, KBH₄ oder eine Mischung davon.
Der Vorläufer von Si umfasst, aber nicht beschränkt darauf, Si-haltige anorganische Materialien, z.B. Si-haltige Sulfide (wie SiS₂), Si-haltige Oxide (wie SiO₂), Si-haltige Carbide (wie SiC), Si-haltige Boride (wie SiB₆), Si-haltige Phosphide (wie SiP₂), Si-haltige Nitride (wie Si₃N₄) oder Silikate (wie Li₂SiO₃), oder organische Siliziumverbindungen (wie Si_nH_2n+2), oder eine Mischung dieser Si-haltigen Materialien.
Der Vorläufer von Al umfasst, aber nicht beschränkt darauf, Al-haltige anorganische Materialien, z.B. AI-haltige Sulfide (wie Al₂S₃), AI-haltige Oxide (wie Al₂O₃), Al-haltige Carbide (wie Al₄C₃), Al-haltige Boride (wie AlB₂), Al-haltige Phosphide (wie AIP), Al-haltige Nitride (wie AIN) oder Aluminate (wie LiAlO₂), oder organische Aluminiumverbindungen (wie C₂H₅AlCl₂), oder eine Mischung dieser Al-haltigen Materialien.
Verbindungen, die beide Si und Al enthalten, können auch als Vorläufer verwendet werden, umfassend z.B. Silizium-Aluminium-Legierungen, Siliziumaluminiumoxide, Silizium-Aluminium-Minerale oder eine Mischung der oben genannten Rohstoffe, die Si und Al enthalten.
Der Vorläufer von E umfasst, aber nicht beschränkt darauf, O₂, B, N₂, NH₃, Ti₃N₄, P oder Verbindungen, die zwei oder mehrere Elemente von O, B, N, P und ein anderes negatives Element enthalten (wie Borsäure, Melamin, und Kohlenhydrate), unter der Voraussetzung, dass O vorhanden sein muss.
In einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Anwendung für den Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen in einer festen Alkalimetallbatterie bereit. Der Elektrolyt der Alkalimetallbatterie ist ein Festelektrolyt mit migrierbaren Alkalimetallionen in der vorliegenden Erfindung. Die negative Elektrode besteht aus einem Alkalimetall, einer Alkalimetalllegierung oder einem Material wie Graphit, Si, Si/C-Verbindung, Sn und seinem Verbund, die zur reversiblen Reaktion von Alkalimetallionen bei einem niedrigem Potential fähig sind. Die positive Elektrode besteht aus einem üblichen Material für die positive Elektrode.
Die üblichen Materialien für die positive Elektrode umfasst LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn₂O₄, LiFePO₄, LiFeSO₄F, LiNi_0.5Mn_1.5O₄, Li[Ni_xCo_yMn_1-x-y]O₂ (0 < x, y <1), Li₂MnO₃-LiMO₂ (M = Ni, Co oder ein beliebiges Verhältnis von Ni/Co), berliner Blau, Na₃V₂(PO₄)₃, Na_xMO₂ (0 < x <1, M = Ni, Co, Mn oder ein beliebiges Verhältnis von Ni/Co/Mn), NaFePO₄, K_xMO₂ (0 < x <1, M = Ni, Co, Mn oder ein beliebiges Verhältnis von Ni/Co/Mn), K_0.5V₂O₅ usw. oder dotierte Verbindungen, beschichtete Verbindungen oder Mischungen davon.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat überrascht gefunden, dass durch die Verwendung des Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen in der festen Alkalimetallbatterie in der vorliegenden Erfindung die Bildung von Alkalimetalldendriten wirksam zurückgehalten werden kann, der Kontakt zwischen dem Alkalimetall und dem Elektrolyten stabil ist, und die Batterie eine hervorragende Entladungsrate, Zyklenstabilität und hohe Sicherheit zeigt. Außerdem hat der Elektrolyt in der vorliegenden Erfindung eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine hohe thermische Stabilität, ein breites elektrochemisches Fenster, eine gute elektrochemische Stabilität und mechanische Festigkeit, wodurch die Bildung von Alkalimetalldendriten wirksam zurückgehalten werden kann. Zudem sind ihre Rohstoffe ausreichend und kostengünstig und werden nicht durch Ressourcen beschränkt.
Außerdem ist das Herstellungsverfahren des Festelektrolyten in der vorliegenden Erfindung einfach, umweltfreundlich und kann dadurch eine Massenproduktion leicht realisiert werden.
In einem vierten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine feste Alkalimetallbatterie bereit, die den Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen in der vorliegenden Erfindung umfasst. Die feste Alkalimetallbatterie ist bevorzugt eine völlig feste Alkalimetallbatterie. Die völlig feste Alkalimetallbatterie hat eine hohe Energiedichte und eine herausragende Stabilität und Zyklusleistung.
In einem fünften Aspekt stellt die vorliegende Erfindung weiterhin eine Anwendung der festen Alkalimetallbatterie für Energiespeicherung und -freigabe bereit.
Figurenliste

1 ist ein rasterelektronenmikroskopisches Bild des Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen, der im Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
2 zeigt ein Zyklusdiagramm der Entladungsrate (a), eine Lade- und Entladekurve der Entladungsrate (b) und eine Zykluskurve für die ersten 50 Zyklen (c) für Beispiel 1.
3 zeigt eine Lade- und Entladekurve der Entladungsrate (a) und eine Zykluskurve für die ersten 50 Zyklen (b) für Beispiel 2.
4 zeigt eine Lade- und Entladekurve der Entladungsrate (a) und eine Zykluskurve für die ersten 50 Zyklen (b) für Beispiel 3.
5 zeigt eine Lade- und Entladekurve der Entladungsrate (a) und eine Zykluskurve für die ersten 50 Zyklen (b) für Beispiel 4.
6 zeigt ein Wechselstromimpedanzspektrum des Elektrolyten bei verschiedenen Temperaturen (a), eine Arrheniuskurve des Elektrolyten (b), eine Kurve für die lineare Abtastung des Elektrolyten (c), und eine chronocoulometrische Kurve des Elektrolyten (d) für Beispiel 5.

Ausführliche Ausführungsformen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand Beispielen näher beschrieben, aber der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Vergleichsbeispiel 1
LiZr₂(PO₄)₃ des NASICON-Typs wurde als Festelektrolytmaterial verwendet; das Material für die negative Elektrode bestand aus Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g); das aktive Material für die positive Elektrode bestand aus LiFePO₄ mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g. Das leitfähige Mittel bestand aus Super-P (Acetylenschwarz). Polyvinylidenfluorid wurde als Bindemittel verwendet und N-Methylpyrrolidon wurde als Lösungsmittel verwendet. Nach dem Rühren zu einem gleichmäßigen Schlamm wurde er auf eine Aluminiumfolie aufgetragen, um eine positive Elektrodenplatte herzustellen. Nach dem Vakuumtrocknen der positiven Elektrodenplatte wurde dem oben genannten Festelektrolyten mit migrierbaren Lithiummetallionen eine Elektrolytlösung in einem Verhältnis von 0,4 ml/g (LB315 von der Firma Guotaihuarong, Zhangjiagang) zugetropft, um den Grenzflächenwiderstand zu beseitigen, und dann wurde der Festelektrolyt mit Lithiummetall zusammengesetzt, um eine völlig feste Lithium-Metall-Batterie herzustellen. Im Spannungsbereich von 2 bis 4 V wurde ein Test für Entladungsrate bei einem Strom von 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 2 C und 3 C (1C=160 mAh/g) durchgeführt. Ein Zyklustest wurde bei einem Strom von 1C durchgeführt. Das Instrument für den Test für Entladungsrate und den Zyklustest war LAND-Batterietestsystem. Nach 50 Zyklen wurde die Batterie zerlegt, das Lithiummetallblech wurde herausgenommen, und dann wurde ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) auf seiner Oberfläche durchgeführt.
Die elektrochemischen Eigenschaften des Elektrolytmaterials wie Leitfähigkeit, elektrochemisches Fenster, Ionenmigrationskoeffizient und dergleichen wurden getestet, und die jeweiligen Tests wurden auf der elektrochemischen Arbeitsstation CHI660 durchgeführt. Die Leitfähigkeit wurde durch einen Test des Wechselstromimpedanzspektrums bestimmt. Die Testbatterie war ein Batteriesystem aus Edelstahl (SS)/Festelektrolyten/Edelstahl (SS). Nach Temperaturhaltung bei unterschiedlichen Temperaturen für 1,5 Stunden wurde ein Test des Wechselstromimpedanzspektrums bei einer Wechselspannungsamplitude von 10 mV und in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz durchgeführt. Dann wurde der Widerstand des Elektrolyten durch die Messung des Bulkwiderstands bestimmt. Durch einen Test der linearen Abtastvoltammetrie für den Elektrolyten wurde ein elektrochemisches Fenster, in dem der Elektrolyt stabil war, bestimmt. In dem Test wurde ein Zwei-Elektroden-System verwendet, bei dem die Arbeitselektrode eine Edelstahlelektrode war und ein Lithium-Metallblech als Referenzelektrode verwendet wurde. Der Abtastbereich betrug 0-6 V und die Abtastgeschwindigkeit betrug 2 mV/s. Dann wurde die Lithiumionenmigrationsfähigkeit im Elektrolyten getestet, wobei die chronocoulometrische Methode zum Bestimmen des stationären Stroms verwendet wurde. Das Stufenpotential war 10 mV. Die Testbatterie war eine Blockierungsbatterie aus Alkalimetall/Festelektrolyten/Alkalimetall. Zum Vergleich sind die Daten in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 1
Unter normalen Temperatur und Druck in Luft wurden Li₂CO₃, Na₂CO₃, SiO₂, Al₂O₃ in einem Molverhältnis von 0,9 : 0,1: 2 : 1 gemischt. Nach Kugelschliff für 12 Stunden war die Mischung gleichmäßig gemischt, so dass eine Nanomischung (mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 300 nm) erhalten wurde. Die Mischung wurde dann durch einen Dreiwalzenkalander bei einem Kalandrierdruck von 15 MPa, einer Temperatur beim Kalandrieren von 50 °C und einer linearen Geschwindigkeit von 150 m/min geformt. Unter der Verwendung der Mikrowellensintertechnologie wurde die Mischung mit einer Aufheizrate von 15°C/min auf 1000 °C erwärmt und für 8 Stunden gesintert. Dann wurde ein Festelektrolyt mit migrierbaren Lithiumionen Li_0.9Na_0.1(AlSiO₄) als hellgelbe feste Plättchen erhalten.
Ein Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und LiFePO₄ mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, um eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 1. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst. Ein Rasterelektronenmikroskop wurde auf der Oberfläche des Festelektrolyten durchgeführt, und die Ergebnisse sind in 1 gezeigt. Aus 1 ist ersichtlich, dass die Oberfläche des Festelektrolyten in diesem Beispiel eben ist und keine Dendriten gebildet wurden.
Vergleichsbeispiel 2
Li₇La₃Zr₂O₁₂ des Granat-Typs wurde als Festelektrolyt verwendet; das Material für die negative Elektrode bestand aus Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g); das aktive Material für die positive Elektrode bestand aus LiCoO₂ mit einer reversiblen Kapazität von 145 mAh/g. Das leitfähige Mittel bestand aus Super-P. Polyvinylidenfluorid wurde als Bindemittel verwendet und N-Methylpyrrolidon wurde als Lösungsmittel verwendet. Nach dem Rühren zu einem gleichmäßigen Schlamm wurde er auf eine Aluminiumfolie aufgetragen, um eine positive Elektrodenplatte herzustellen. Nach dem Vakuumtrocknen der positiven Elektrodenplatte wurde dem oben genannten Festelektrolyten mit migrierbaren Lithiummetallionen eine Elektrolytlösung in einem Verhältnis von 0,4 ml/g (LB315 von der Firma Guotaihuarong, Zhangjiagang) zugetropft, um den Grenzflächenwiderstand zu beseitigen, und dann wurde der Festelektrolyt mit Lithiummetall zusammengesetzt, um eine völlig feste Lithium-Metall-Batterie herzustellen. Die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie die im Vergleichsbeispiel 1. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 2
Unter normalen Temperatur und Druck in Luft wurden Li₂CO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, SiO₂ und Al₂O₃ in einem Molverhältnis von 0,9 : 0,05 : 0,05 : 2 : 1 gemischt. Nach Kugelschliff für 12 Stunden war die Mischung gleichmäßig gemischt, so dass eine Nanomischung (mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 150 nm) erhalten wurde. Die Mischung wurde dann durch einen Dreiwalzenkalander bei einem Kalandrierdruck von 15 MPa, einer Temperatur beim Kalandrieren von 50 °C und einer linearen Geschwindigkeit von 160 m/min geformt. Unter der Verwendung der Mikrowellensintertechnologie wurde die Mischung mit einer Aufheizrate von 15°C/min auf 1000 °C erwärmt und für 8 Stunden gesintert. Dann wurde ein Festelektrolyt mit migrierbaren Lithiumionen gemäß der Erfindung Li_0.9Na_0.05K_0.05(AlSiO₄) als Produkt hellgelber fester Plättchen erhalten.
Ein Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und LiCoO₂ mit einer reversiblen Kapazität von 145 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, um eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 2. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Vergleichsbeispiel 3
Na₂PGe_0.5S₄ wurde als Festelektrolyt verwendet; das Material für die negative Elektrode bestand aus Natriummetall; das aktive Material für die positive Elektrode bestand aus berlinern Blau mit einer reversiblen Kapazität von 170 mAh/g. Das leitfähige Mittel bestand aus Super-P. Polyvinylidenfluorid wurde als Bindemittel verwendet und N-Methylpyrrolidon wurde als Lösungsmittel verwendet. Nach dem Rühren zu einem gleichmäßigen Schlamm wurde er auf eine Aluminiumfolie aufgetragen, um eine positive Elektrodenplatte herzustellen. Dem oben genannten Festelektrolyten mit migrierbaren Lithiummetallionen wurde eine Elektrolytlösung in einem Verhältnis von 0,4 ml/g (1 M NaPF₆ gelöst in EC/DEC) zugetropft, um den Grenzflächenwiderstand zu beseitigen, und dann wurde sie zusammengesetzt, um eine völlig feste Natrium-Metall-Batterie herzustellen. Im Spannungsbereich von 2,5 bis 4,2 V wurde ein Test für Entladungsrate bei einem Strom von 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 2 C und 3 C (1C=170 mAh/g) durchgeführt, und dann wurde ein Zyklustest bei einem Strom von 1C durchgeführt. Am LAND-Batterietestsystem wurden die Tests für Entladungsrate und Zyklusleistung durchgeführt, und nach 50 Zyklen wurde die Batterie zerlegt, das Natriummetallblech wurde herausgenommen, dann wurden ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) auf seiner Oberfläche sowie die elektrochemischen Tests für wie Leitfähigkeit und Zyklusleistung durchgeführt. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 3
Unter normalen Temperatur und Druck in Luft wurden Na₂CO₃, B₂O₃ und Al₂O₃ in einem Molverhältnis von 1 : 0,5 : 0,5 gemischt. Nach Kugelschliff für 2 Stunden war die Mischung unter dem Schutz von Argon gleichmäßig gemischt, so dass eine Nanomischung (mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 250 nm) erhalten wurde. Die Mischung wurde dann durch einen Dreiwalzenkalander bei einem Vakuum-Kalandrierdruck von 10 MPa, einer Temperatur beim Kalandrieren von 60 °C und einer linearen Geschwindigkeit von 160 m/min geformt. Unter der Verwendung der Mikrowellensintertechnologie wurde die Mischung mit einer Aufheizrate von 15°C/min auf 800°C erwärmt und für 2 Stunden gesintert. Dann wurde ein Festelektrolyt mit migrierbaren Natriumionen gemäß der Erfindung NaAl_0.5B_0.5O₂ als Produkt hellgelber fester Plättchen erhalten.
Ein Natriummetall mit hoher Kapazität (1165 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und berliner Blau mit einer reversiblen Kapazität von 170 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 3. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Vergleichsbeispiel 4
K₂PInS₄ wurde als Festelektrolyt verwendet; das Material für die negative Elektrode bestand aus Kaliummetall mit hoher Kapazität (935 mAh/g); das aktive Material für die positive Elektrode bestand aus berlinern Blau mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g. Das leitfähige Mittel bestand aus Super-P. Polyvinylidenfluorid wurde als Bindemittel verwendet und N-Methylpyrrolidon wurde als Lösungsmittel verwendet. Nach dem Rühren zu einem gleichmäßigen Schlamm wurde er auf eine Aluminiumfolie aufgetragen, um eine positive Elektrodenplatte herzustellen. Nach dem Vakuumtrocknen der positiven Elektrodenplatte wurde dem oben genannten Festelektrolyten mit migrierbaren Kaliummetallionen eine Elektrolytlösung in einem Verhältnis von 0,4 ml/g (1 M KPF₆ gelöst in EC/DEC) zugetropft, um den Grenzflächenwiderstand zu beseitigen, und dann wurde der Festelektrolyt mit Kaliummetall zusammengesetzt, um eine völlig feste Kalium-Metall-Batterie herzustellen. Im Spannungsbereich von 2,0 bis 4,6 V wurde ein Test für Entladungsrate bei einem Strom von 0,2 C, 0,5 C, 1 C, 2 C und 3 C (1C=170 mAh/g) durchgeführt. Ein Zyklustest wurde bei einem Strom von 1C durchgeführt. Am LAND-Batterietestsystem wurden die Tests für Entladungsrate und Zyklusleistung durchgeführt, und nach 50 Zyklen wurde die Batterie zerlegt, das Kaliummetallblech wurde herausgenommen, und dann wurden ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) auf seiner Oberfläche sowie die elektrochemischen Tests für wie Leitfähigkeit und Zyklusleistung durchgeführt. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 4
Unter normalen Temperatur und Druck in Luft wurden K₂CO₃, AIP und SiO₂ in einem Molverhältnis von 1 : 1 : 1 gemischt. Nach Kugelschliff für 2 Stunden war die Mischung unter dem Schutz von Argon gleichmäßig gemischt, so dass eine Nanomischung (mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 280 nm) erhalten wurde. Die Mischung wurde dann durch einen Dreiwalzenkalander bei einem Kalandrierdruck von 10 MPa, einer Temperatur beim Kalandrieren von 60 °C und einer linearen Geschwindigkeit von 160 m/min geformt. Unter der Verwendung der Mikrowellensintertechnologie wurde die Mischung mit einer Aufheizrate von 15°C/min auf 800°C erwärmt und für 2 Stunden gesintert. Dann wurde ein Festelektrolyt mit migrierbaren Kaliumionen gemäß der Erfindung K₂S₁AlO₃P als Produkt hellbrauner fester Plättchen erhalten.
Ein Kaliummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und berliner Blau mit einer reversiblen Kapazität von 170 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 4. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Vergleichsbeispiel 5
Li_0.38Sr_0.44Ta_0.7Hf_0.3O_2.95F_0.05 des Perowskit-Typs wurde als Festelektrolyt verwendet. Ein Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und LiFePO₄ mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, um eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 1. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 5
Unter normalen Temperatur und Druck in Luft wurden Li₂CO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, SiO₂, Si₃N₄ und Ti₃N₄ in einem Molverhältnis von 1,5 : 0,4 : 0,1 : 2 : 0,67 : 0,33 gemischt. Nach Kugelschliff für 2 Stunden war die Mischung unter dem Schutz von Argon gleichmäßig gemischt, so dass eine Nanomischung (mit einer durchschnittlichen Partikel größe von 50 nm) erhalten wurde. Die Mischung wurde dann durch einen Dreiwalzenkalander bei einem Kalandrierdruck von 10 MPa, einer Temperatur beim Kalandrieren von 60 °C und einer linearen Geschwindigkeit von 160 m/min geformt. Unter der Verwendung der Mikrowellensintertechnologie wurde die Mischung mit einer Aufheizrate von 15°C/min auf 1000 °C erwärmt und für 2 Stunden gesintert. Dann wurde ein Festelektrolyt mit migrierbaren Kaliumionen gemäß der Erfindung Li_0.75Na_0.2K_0.05Si_0.75Ti_0.25ON als Produkt hellbrauner fester Plättchen erhalten.
Ein Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und LiFePO₄ mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, um eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 1. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Vergleichsbeispiel 6
Li₇La₃Zr₂O₁₂ des Granat-Typs wurde als Festelektrolyt verwendet. Ein Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und LiFePO₄ mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, um eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 1. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 6
Unter normalen Temperatur und Druck in Luft wurden Na₂CO₃, Li₂CO₃, K₂CO₃, SiO₂, Al₂Se₃ und Al₂O₃ in einem Molverhältnis von 0,98 : 0,01 : 0,01 : 2 : 0,1 : 0,9 gemischt. Nach Kugelschliff für 2 Stunden war die Mischung unter dem Schutz von Argon gleichmäßig gemischt, so dass eine Nanomischung (mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 170 nm) erhalten wurde. Die Mischung wurde dann durch einen Dreiwalzenkalander bei einem Kalandrierdruck von 10 MPa, einer Temperatur beim Kalandrieren von 60 °C und einer linearen Geschwindigkeit von 160 m/min geformt. Unter der Verwendung der Mikrowellensintertechnologie wurde die Mischung mit einer Aufheizrate von 15°C/min auf 1000 °C erwärmt und für 2 Stunden gesintert. Dann wurde ein Festelektrolyt mit migrierbaren Kaliumionen gemäß der Erfindung K_0.01Na_0.98Li_0.01SiAlO_3.85Se_0.15 als Produkt hellbrauner fester Plättchen erhalten.
Ein Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und LiFePO₄ mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, um eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 1. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Vergleichsbeispiel 7
Li_0.38Sr_0.44Ta_0.7Hf_0.3O_2.95F_0.05 des Perowskit-Typs wurde als Festelektrolyt verwendet. Ein Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und LiFePO₄ mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, um eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 1. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 7
Unter normalen Temperatur und Druck in Luft wurden Na₂CO₃, Li₂CO₃, K₂CO₃, SiO₂, Ca₃N₂ und Al₂O₃ in einem Molverhältnis von 0,98 : 0,01 : 0,01 : 2 : 0,01 :1 gemischt. Nach Kugelschliff für 2 Stunden war die Mischung unter dem Schutz von Argon gleichmäßig gemischt, so dass eine Nanomischung (mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 290 nm) erhalten wurde. Die Mischung wurde dann durch einen Dreiwalzenkalander bei einem Kalandrierdruck von 10 MPa, einer Temperatur beim Kalandrieren von 60 °C und einer linearen Geschwindigkeit von 160 m/min geformt. Unter der Verwendung der Mikrowellensintertechnologie wurde die Mischung mit einer Aufheizrate von 15°C/min auf 1000 °C erwärmt und für 2 Stunden gesintert. Dann wurde ein Festelektrolyt mit migrierbaren Kaliumionen gemäß der Erfindung K_0.01Na_0.98Li_0.01AlSiCa_0.015O₄N_0.01 als Produkt hellbrauner fester Plättchen erhalten.

Ein Lithiummetall mit hoher Kapazität (3860 mAh/g) wurde als Material für die negative Elektrode verwendet, und LiFePO₄ mit einer reversiblen Kapazität von 160 mAh/g wurde als aktives Material für die positive Elektrode verwendet, um eine völlig feste Batterie herzustellen. Die Herstellung der positiven Elektrode und der Batterie, sowie die Tests für die elektrochemischen Eigenschaften waren gleich wie im Vergleichsbeispiel 1. Zum Vergleich sind die Daten auch in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1: SEM-Testergebnisse, Entladungskapazität bei einer Stromdichte von 1 C und Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur (25 °C) für die oben genannten Vergleichsbeispiele und Beispiele.

Beispiele	Negative Elektrode	Positive Elektrode	Festelektrolyt	SEM-Testergebnisse	Entladung skapazität bei einer Stromdichte von 1 C (mAh/g)	Ionenleitf ähigkeit bei Raumtem peratur (25 °C) (S cm^-1)	Ionen migrat ionsko effizie nt	Elektrochemisches Fenster (V)
Vergleichsbeispiel 1	Lithium metall	LiFePO₄	LiZr₂(PO₄)₃ des NASICON-Typs	Relativ glatte Oberfläche mit weniger Dendritenbildung	100	0,3 5 × 10^-4	0,32	4,8
Beispiel 1	Lithium metall	LiFePO₄	Li_0.9Na_0.1(AlSiO₄)	Glatte Oberfläche ohne Dendritenbildung	142	0,17×10^-3	0,59	5,0
Vergleichsbeispiel 2	Lithium metall	LiCoO₂	Li₇La₃Zr₂O₁₂ des Granat-Typs	Raue Oberfläche mit kleiner Dendritenbildung	70	0,1×10^-3	0,43	4,5
Beispiel 2	Lithium metall	NCA	Li_0.9Na_0.05K_0.05(AlSiO₄)	Glatte Oberfläche ohne Dendritenbildung	116	0,35×10^-3	0,61	4,7
Vergleichsbeispiel 3	Natriu mmetall	Berliner Blau	Na₂PGe_0.5S₄	Glatte Oberfläche ohne Dendritenbildung	85	0,2×10^-3	0,24	4,8
Beispiel 3	Natrium metall	Berliner Blau	NaAl_0.5B_0.5O₂	Glatte Oberfläche ohne Dendritenbildung	90	0 , 33 × 10^-3	0,5	4,9
Vergleichsbeispiel 4	Kalium metall	Berliner Blau	K₂PInS₄	Relativ glatte Oberfläche mit weniger Dendritenbildung	73	0,25×10^-4	0,21	4,3
Beispiel 4	Kalium metall	Berliner Blau	K₂SiA10₃P	Glatte Oberfläche ohne Dendritenbildung	98	0,35×10^-3	0,45	4,7
Vergleichsbeispiel 5	Lithium metall	LiFePO₄	Li_0.38Sr_o.44Ta_o.7Hf_o.3O_2.95F₀. ₀₅ des Perowskit-Typs	Relativ glatte Oberfläche, kaum Dendritenbildung	128	0,48×10^-3	0,28	4,6
Beispiel 5	Lithium metall	LiFePO₄	Li_0.75Na_0.2K_0.05Si_0.75Ti_0.25O N	Glatte Oberfläche ohne Dendritenbildung	145	0,75×10^-3	0,43	4,9
Vergleichsbeispiel 6	Lithium metall	LiFePO₄	Li₇La₃Zr₂O₁₂ des Granat-Typs	Relativ glatte Oberfläche, kaum Dendritenbildung	128	0,1×10^-3	0,43	4,7
Beispiel 6	Lithium metall	LiFePO₄	K_0.01Na_0.98Li_0.01SiAlO_3.85S e_0.15	Glatte Oberfläche ohne Dendritenbildung	145	0,55×10^-3	0,71	4,9
Vergleichsbeispiel 7	Lithium metall	LiFePO₄	Li_0.38Sr_0.44Ta_o.7Hf_o.3O_2.95F₀. ₀₅ des Perowskit-Typs	Relativ glatte Oberfläche, kaum Dendritenbildung	128	0,47×10^-3	0,59	4,8
Beispiel 7	Lithium metall	LiFePO₄	K_0.01Na_0.98Li_0.01AlSiCa_0.015 O₄N_0.01	Glatte Oberfläche ohne Dendritenbildung	148	0,85×10^-3	0,78	4,9

Der Ionenmigrationskoeffizient charakterisiert die Migrationseigenschaft der Alkalimetallionen im getesteten Elektrolyten. Je größer der Migrationskoeffizient ist, desto besser ist die Migrationseigenschaft des Alkalimetalls im Festelektrolyten. Das elektrochemische Fenster charakterisiert die elektrochemische Stabilität des getesteten Elektrolyten. Je größer das Fenster ist, desto stabiler er bei höherer Spannung funktioniert, indem er bei einer hohen Spannung kein Oxidationsreaktion stattfindet, so dass er mit Hochspannungsmaterialien zusammen verwendet werden kann und eine höhere Sicherheit sowie einen breiteren Anwendungsbereich hat.
Aus der Tabelle 1 ist es ersichtlich, dass die Ionenleitfähigkeit in den Beispielen bei Raumtemperatur (25 °C) offensichtlich mehr als 50% höher ist als die Ionenleitfähigkeit in den Vergleichsbeispielen mit der gleichen positiven Elektrode bei Raumtemperatur. Je größer der Ionenmigrationskoeffizient ist, desto breiter das elektrochemische Fenster ist. Die Elektrolyten enthalten zudem keine teuren Rohstoffe wie Ge, Zr, und La.
Außerdem ist aus der 2 - 6 ersichtlich, dass die feste Alkalimetallbatterie mit dem Festelektrolyten mit migrierbaren Alkalimetallionen in der vorliegenden Erfindung eine stabile Lade- und Entladekurve, eine herausragende Entladungsrate und Zyklusleistung hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Arumugam Manthiram et al, Nature Reviews Materials, Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes Seite 16103, Vol. 2, 2017 [0004]

Claims

Festelektrolyt mit migrierbaren Alkalimetallionen, dadurch gekennzeichnet ist, dass er die Zusammensetzung der Formel (I) aufweist: $A_{x} D_{y} E_{z}$
worin: A Alkalimetall Li, Na oder K ist; D Al oder Si ist, E O und optional B, optional N oder optional P ist; x 0,1-4, bevorzugt 0,5-3, bevorzugter 0,8-2,5, meist bevorzugt 1,0-2,0 beträgt, y 0,1-4, bevorzugt 0,2-3, bevorzugter 0,5-2,5, meist bevorzugt 0,5-2,0 beträgt, z 0,5-6, bevorzugt 1,0-5,0, bevorzugter 1,5-4,5, meist bevorzugt 2,0-4,0 beträgt, unter der Voraussetzung, dass wenn D eines von Al und Si ist oder wenn das Al/Si-Verhältnis 1 beträgt, eines oder beide von A und E für mindestens zwei Elemente steht oder stehen.
Festelektrolyt nach Anspruch 1, wobei das Alkalimetall teilweise durch ein anderes Metallelement J ausgewählt aus Mg und Ca ersetzt ist.
Festelektrolyt nach Anspruch 2, wobei der Gehalt des anderen Metallelements J 0 bis 10% des gesamten Molgehalts der Alkalimetallelemente beträgt, bevorzugt 0,01 bis 8% des gesamten Molgehalts der Alkalimetallelemente beträgt und bevorzugter 0,05 bis 5% des gesamten Molgehalts der Alkalimetallelemente beträgt.
Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei D teilweise durch ein anderes Element L ausgewählt aus In, Ga, Ti und Sn ersetzt ist.
Festelektrolyt nach Anspruch 4, wobei der Gehalt des anderen Elements L 0 bis 10% des gesamten Molgehalts von Al- und Si-Elementen beträgt, bevorzugt 0,01 bis 8% des gesamten Molgehalts von Al- und Si-Elementen beträgt und bevorzugter 0,05 bis 5% des gesamten Molgehalts von Al- und Si-Elementen beträgt.
Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei E teilweise durch ein anderes negatives Element M ersetzt wird.
Festelektrolyt nach Anspruch 6, wobei das andere negative Element M aus F, Cl, Br, I, Se und Te ausgewählt ist.
Festelektrolyt nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Gehalt des anderen negativen Elements M 0 bis 50% des gesamten Molgehalts von O-, N-, P- und B-Elementen beträgt, bevorzugt 0,01 bis 20% des gesamten Molgehalts von O-, N-, P- und B-Elementen beträgt und bevorzugter 0,05 bis 10% des gesamten Molgehalts von O-, N-, P- und B-Elementen beträgt.
Festelektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welcher Li_0.9Na_0.1(AlSiO₄), Li_0.9Na_0.05K_0.05(AlSiO₄), NaAl_0.5B_0.5O₂, K₂S1AlO₃P, Li_0.75Na_0.2K_0.05Si_0.75Ti_0.25ON, K_0.01Na_0.98Li_0.01SiAlO_3.85Se_0.15 oder K_0.01Na_0.98Li_0.01AlSiCa_0.015O₄N_0.01 ist.
Herstellungsverfahren für einen Festelektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend Schleifen von Vorläufern von A, D und E, Formen und Sintern.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei es sich beim Sintern um Mikrowellensintern handelt.
Anwendung eines Festelektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer festen Alkalimetallbatterie.
Feste Alkalimetallbatterie, umfassend einen Festelektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Anwendung einer festen Alkalimetallbatterie nach Anspruch 13 für Energiespeicherung und -freigabe.