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一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池的制作方法

文檔序號:40391264發(fā)布日期:2024-12-20 12:14閱讀:7來源:國知局
一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池的制作方法

本發(fā)明涉及鋰離子電池,具體為一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池。


背景技術(shù):

1、鋰離子電池俗稱搖椅電池,是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱,是一種二次電池,主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作,鋰離子電池由正極、負(fù)極、電解液及隔膜,外加正負(fù)引線、電池殼、安全裝置等組成的,鋰離子電池在充放電過程中,li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時(shí),li+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反,手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池,通常人們俗稱其為鋰電池,石油焦炭和石墨作負(fù)極材料無毒,且資源充足,鋰離子嵌入碳中,克服了鋰的高活性,解決了傳統(tǒng)鋰電池存在的安全問題,正極lixcoo2在充、放電性能和壽命上均能達(dá)到較高水平,使成本降低,總之鋰離子電池的綜合性能提高了。

2、傳統(tǒng)的液態(tài)電池由于包含大量有機(jī)可燃的液態(tài)電解質(zhì),存在安全性能差、能量密度低、工作溫度范圍窄等缺陷,相比之下,全固態(tài)電池因其不含液態(tài)物質(zhì),在安全性、能量密度、循環(huán)壽命及電化學(xué)窗口等方面具有顯著優(yōu)勢,固態(tài)電解質(zhì)作為全固態(tài)電池的關(guān)鍵組分,其性能直接決定了電池的整體性能,硫化物固態(tài)電解質(zhì)因其高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)窗口及冷壓成型等優(yōu)點(diǎn),在電動(dòng)汽車、便攜式設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,然而,硫化物固態(tài)電解質(zhì)存在穩(wěn)定性差、離子電導(dǎo)率偏低等問題,限制了其實(shí)際應(yīng)用。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供了一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池,解決了上述背景技術(shù)中所提到的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的,本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),包括核層及包覆設(shè)置在核層外表面上的疏水材料層,所述核層包括多個(gè)硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒及分布在硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒之間的金屬氧化物量子點(diǎn)。

3、優(yōu)選的,所述金屬氧化物量子點(diǎn)中的金屬元素選自第iiia族、第viii族、第ivb族、第viib族元素中的一種或多種,優(yōu)選為sno2、mno、coo、fe2o3或tio2量子點(diǎn)。

4、優(yōu)選的,所述硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒選自li7-xps6-xclx顆粒中的一種或多種,其中0.6≤x≤1.9,優(yōu)選為li6ps5cl顆粒。

5、優(yōu)選的,所述核層中,硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒和金屬氧化物量子點(diǎn)的重量比為1:(0.15~0.7)。

6、優(yōu)選的,所述一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),其制備方法具體包括以下步驟:

7、s1、原料的準(zhǔn)備:根據(jù)目標(biāo)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)的化學(xué)式,選擇相應(yīng)的硫化物、鹵化物等作為原料,對于li6ps5cl等硫化物固態(tài)電解質(zhì),需要準(zhǔn)備li2s、p2s5和licl原料;

8、s2、混合與球磨:將選定的原料按照一定的摩爾比進(jìn)行混合,確?;旌暇鶆?,將硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒和金屬氧化物量子點(diǎn)混合進(jìn)行球磨,球磨轉(zhuǎn)速為200~500r/min,球磨時(shí)間為3~10小時(shí);

9、s3、改性處理:在球磨過程中,向混合物中引入改性元素,這些改性元素可以是金屬氧化物量子點(diǎn),sno2、mno、coo,它們可以通過提高固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、增強(qiáng)空氣穩(wěn)定性等方式對電解質(zhì)進(jìn)行改性,確保改性元素與硫化物基固態(tài)電解質(zhì)顆粒充分混合均勻;

10、s4、熱處理與燒結(jié):將混合均勻的粉體進(jìn)行預(yù)燒結(jié)處理,在800-1000℃下煅燒10-15小時(shí),以去除部分揮發(fā)性雜質(zhì),并初步形成固態(tài)電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu),為了提高固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)晶度和致密度,采用二次燒結(jié)工藝;

11、s5、后處理與表征:對燒結(jié)后的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行必要的后處理,研磨、篩分,以獲得符合要求的電解質(zhì)粉末或片材,通過x射線衍射(xrd)、掃描電子顯微鏡(sem)等手段對制得的固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行表征,以確認(rèn)其晶體結(jié)構(gòu)、形貌和性能等參數(shù)。

12、優(yōu)選的,所述s2中,采用高能球磨機(jī)對混合后的原料進(jìn)行球磨處理,球磨過程中,通過機(jī)械力的作用使原料顆粒細(xì)化,并促進(jìn)原料之間的混合和反應(yīng),s4中,將預(yù)燒結(jié)得到的電解質(zhì)片破碎研磨至粉末狀,再次壓片并在稍高的溫度下進(jìn)行燒結(jié),二次燒結(jié)有助于均化晶粒尺寸,提高電解質(zhì)的性能。

13、本發(fā)明還公開了一種全固態(tài)電池,所述全固態(tài)電池包括正極層、負(fù)極層和設(shè)置于正極層和負(fù)極層之間的多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)層,所述負(fù)極層由鋰鎂合金制成,鋰鎂合金中鎂金屬的質(zhì)量比為1.4%~6%,優(yōu)選為4%,所述正極層由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和硫化物固態(tài)電解質(zhì)組成,活性物質(zhì)可為lini_xco_ymn_zo_2或lini_xco_yal_zo_2,其中0<x<1、0<y<1、x+y+z=1,所述導(dǎo)電劑為石墨、石墨烯、碳納米管、乙炔黑或super?p中的一種或多種。

14、優(yōu)選的,所述一種全固態(tài)電池,其制備方法具體包括以下步驟:

15、s1、將多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)粉末壓制成電解質(zhì)片;

16、s2、將正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和固態(tài)電解質(zhì)粉末混合,鋪在電解質(zhì)片的一側(cè),壓制成正極層;

17、s3、將鋰鎂合金置于電解質(zhì)片的另一側(cè),壓制成負(fù)極層,得到全固態(tài)電池。

18、有益效果

19、本發(fā)明提供了一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池。與現(xiàn)有技術(shù)相比具備以下有益效果:該多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池,包括核層及包覆設(shè)置在核層外表面上的疏水材料層,所述核層包括多個(gè)硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒及分布在硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒之間的金屬氧化物量子點(diǎn),金屬氧化物量子點(diǎn)中的金屬元素選自第iiia族、第viii族、第ivb族、第viib族元素中的一種或多種,優(yōu)選為sno2、mno、coo、fe2o3或tio2量子點(diǎn),硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒選自li7-xps6-xclx顆粒中的一種或多種,其中0.6≤x≤1.9,優(yōu)選為li6ps5cl顆粒,核層中,硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒和金屬氧化物量子點(diǎn)的重量比為1:(0.15~0.7),通過引入金屬氧化物量子點(diǎn),有效提升了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率,改善了電池的整體性能,金屬氧化物量子點(diǎn)的加入增強(qiáng)了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的晶格穩(wěn)定性,提高了其在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性,采用鋰鎂合金作為負(fù)極,提高了負(fù)極的理論比容量和電壓窗口,同時(shí)改善了負(fù)極與電解質(zhì)界面的阻抗,抑制了鋰枝晶的生長,全固態(tài)電池不含液態(tài)電解質(zhì),從根本上解決了傳統(tǒng)液態(tài)電池的安全性問題,提高了電池的安全性和可靠性。



技術(shù)特征:

1.一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),包括核層及包覆設(shè)置在核層外表面上的疏水材料層,其特征在于:所述核層包括多個(gè)硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒及分布在硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒之間的金屬氧化物量子點(diǎn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),其特征在于:所述金屬氧化物量子點(diǎn)中的金屬元素選自第iiia族、第viii族、第ivb族、第viib族元素中的一種或多種,優(yōu)選為sno2、mno、coo、fe2o3或tio2量子點(diǎn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),其特征在于:所述硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒選自li7-xps6-xclx顆粒中的一種或多種,其中0.6≤x≤1.9,優(yōu)選為li6ps5cl顆粒。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),其特征在于:所述核層中,硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒和金屬氧化物量子點(diǎn)的重量比為1:(0.15~0.7)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),其特征在于:其制備方法具體包括以下步驟:

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),其特征在于:所述s2中,采用高能球磨機(jī)對混合后的原料進(jìn)行球磨處理,球磨過程中,通過機(jī)械力的作用使原料顆粒細(xì)化,并促進(jìn)原料之間的混合和反應(yīng),s4中,將預(yù)燒結(jié)得到的電解質(zhì)片破碎研磨至粉末狀,再次壓片并在稍高的溫度下進(jìn)行燒結(jié),二次燒結(jié)有助于均化晶粒尺寸,提高電解質(zhì)的性能。

7.一種全固態(tài)電池,其特征在于:所述全固態(tài)電池包括正極層、負(fù)極層和設(shè)置于正極層和負(fù)極層之間的多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)層,所述負(fù)極層由鋰鎂合金制成,鋰鎂合金中鎂金屬的質(zhì)量比為1.4%~6%,優(yōu)選為4%,所述正極層由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和硫化物固態(tài)電解質(zhì)組成,活性物質(zhì)可為lini_xco_ymn_zo_2或lini_xco_yal_zo_2,其中0<x<1、0<y<1、x+y+z=1,所述導(dǎo)電劑為石墨、石墨烯、碳納米管、乙炔黑或super?p中的一種或多種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)電池,其特征在于:其制備方法具體包括以下步驟:


技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì),包括核層及包覆設(shè)置在核層外表面上的疏水材料層,本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。該多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池,通過引入金屬氧化物量子點(diǎn),有效提升了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率,改善了電池的整體性能,金屬氧化物量子點(diǎn)的加入增強(qiáng)了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的晶格穩(wěn)定性,提高了其在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性,采用鋰鎂合金作為負(fù)極,提高了負(fù)極的理論比容量和電壓窗口,同時(shí)改善了負(fù)極與電解質(zhì)界面的阻抗,抑制了鋰枝晶的生長,全固態(tài)電池不含液態(tài)電解質(zhì),從根本上解決了傳統(tǒng)液態(tài)電池的安全性問題,提高了電池的安全性和可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員:王賓,姚寬科
受保護(hù)的技術(shù)使用者:中科融能(鹽城)科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日:
技術(shù)公布日:2024/12/19
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