一种固态电解质材料、其制备方法和锂离子电池

本申请涉及锂离子电池，具体而言，涉及一种固态电解质材料、其制备方法和锂离子电池。

背景技术：

1、目前适用于锂离子电池的无机固态电解质有硫化物型、卤化物型和氧化物型等。氧化物型固态电解质具有石榴石型、钙钛矿型和lisicon型，其中石榴石型固态电解质具有出色的电导率、宽的电化学窗口和优良的力学、热学性能，被认为是较为理想的li+离子导体。硫化物型固态电解质具有优异的机械延展性和能够媲美液态电解液的高离子电导率(最高可达25ms cm-1)，是有望能够实现高能量密度全固态电池的电解质材料之一。代表性的硫化物型固态电解质包括li6ps5cl、li3ps4、li7p3s11、li10gep2s12等。卤化物型固态电解质的离子电导率较低。

2、但是，氧化物型固态电解质易碎，且具有不利的机械性能(例如，高的杨氏模量，低的断裂韧性)。另外，氧化物型固体电解质与当前的阴极化学物质之间的相容性有限。硫化物型电解质存在空气稳定性差、电化学窗口窄、与高压阴极及锂金属阳极化学/电化学不相容等问题。

3、因此，有必要提供一种具有更高离子电导率的卤化物型固态电解质。

技术实现思路

1、基于上述的不足，本申请提供了一种固态电解质材料、其制备方法和锂离子电池，以部分或全部地改善相关技术中卤化物型固态电解质的离子电导率低的问题。

2、本申请是这样实现的：

3、在第一方面，本申请的示例提供了一种固态电解质材料的制备方法，包括：在水含量和氧含量均不高于0.01ppm的惰性气体环境中，将摩尔比为0.4-3：1的氮化锂和卤化钽进行球磨，球磨转速不低于500rmp，球磨时间为30-300h。

4、在上述实现过程中，在水含量和氧含量均不高于0.01ppm的惰性气体环境中，以不低于500rmp的球磨转速对摩尔比为0.4-3：1的氮化锂和卤化钽进行球磨30-300h，能够获得化学式为li3xtaa5nx的新型固态电解质材料，其中0.4≤x≤3，a选自f、cl、br或i。新型的固态电解质材料具有较高的离子电导率。

5、结合第一方面，本申请可选的实施方式中，氮化锂：卤化钽的摩尔比为0.43-0.67：1。

6、在上述实现过程中，以不低于500rmp的球磨转速对摩尔比为0.43-0.67：1的氮化锂与卤化钽进行球磨30-300h，能够进一步提高新型固态电解质材料的离子电导率。

7、结合第一方面，本申请可选的实施方式中，球磨时间为60-140h。

8、在上述实现过程中，以不低于500rmp的球磨转速对摩尔比为0.4-3：1的氮化锂和卤化钽进行球磨60-140h，能够在降低球磨能耗提高制备效率的同时，还能提高固态电解质材料的离子电导率。

9、在第二方面，本申请的示例提供了一种根据第一方面提供的制备方法制得的固态电解质材料，固态电解质材料的化学式为li3xtaa5nx，0.4≤x≤3，a选自f、cl、br或i。

10、在上述实现过程中，根据第一方面提供的制备方法制得的固态电解质材料li3xtaa5nx，具有较高的离子电导率。

11、结合第二方面，本申请可选的实施方式中，固态电解质材料的离子电导率不低于1.4ms cm-1。

12、在上述实现过程中，本申请示例提供的固态电解质材料具有不低于1.4ms cm-1的良好的离子电导率，能够提高锂离子电池的电化学性能。

13、在第三方面，本申请示例提供了一种锂离子电池，包括依次设置的负极、固态电解质和正极，形成固态电解质的材料包括第二方面提供的固态电解质材料。

14、在上述实现过程中，在锂离子电池的固态电解质中添加第二方面提供的固态电解质材料，固态电解质材料具有良好的离子电导率，能够提高锂离子电池的电化学性能。

15、结合第三方面，本申请可选的实施方式中，形成固态电解质的材料还包括第二固态电解质材料。

16、可选的，固态电解质包括叠层设置的第一电解质层和第二电解质层，固态电解质材料形成第一电解质层，第二固态电解质材料形成第二电解质层，第二电解质层靠近负极。

17、结合第三方面，本申请可选的实施方式中，第二固态电解质材料选自硫化物电解质材料或卤化物电解质材料中的至少一种。

18、可选的，第二固态电解质材料选自li6ps5cl或li10gep2s12中的至少一种。

19、在上述实现过程中，将本申请第二方面提供的固态电解质材料与第二固态电解质材料搭配，能够在提高固态电解质的离子电导率的同时，还能利用第二电解质层隔开第一固态电解质层和负极，以提高固态电解质与负极之间的界面稳定性，进入进一步提高锂离子电池的电化学性能。

20、结合第三方面，本申请可选的实施方式中，正极的正极活性材料选自licoo2、li3ticl6或li4ti5o12中的至少一种。

21、可选的，正极的正极活性材料选自licoo2或li3ticl6。

22、可选的，形成正极的材料还包括第二方面提供的固态电解质材料。

23、在上述实现过程中，锂离子电池中，利用含有licoo2、li3ticl6或li4ti5o12正极活性材料的正极与含有本申请第二方面提供的固态电解质材料的固态电解质进行搭配使用，能够提高锂离子电池的低温电化学性能，使锂离子电池在低温下仍然具有良好的放电容量和循环性能。

24、结合第三方面，本申请可选的实施方式中，形成负极的材料包括sn、in、li、sb、cu、si、ag-c、li-in合金、fe3o4、tio2、mno、石墨、石墨烯、li4ti5o12中的至少一种。

25、可选的，形成负极的材料还包括第二固态电解质材料。

26、在上述实现过程中，本申请实施例提供的锂离子电池中，利用包括上述材料的负极与本申请示例提供的固态电解质和正极配合，能够提高锂离子电池的电性能。

技术特征：

1.一种固态电解质材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮化锂：所述卤化钽的摩尔比为0.43-0.67：1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨时间为60-140h。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述的制备方法制得的固态电解质材料，所述固态电解质材料的化学式为li3xtaa5nx，0.4≤x≤3，a选自f、cl、br或i。

5.根据权利要求4所述的固态电解质材料，其特征在于，所述固态电解质材料的离子电导率不低于1.4ms cm-1。

6.一种锂离子电池，其特征在于，包括依次设置的负极、固态电解质和正极，形成所述固态电解质的材料包括权利要求4或5所述的固态电解质材料。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，形成所述固态电解质的材料还包括第二固态电解质材料；

8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述第二固态电解质材料选自硫化物电解质材料或卤化物电解质材料中的至少一种；

9.根据权利要求6所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极的正极活性材料选自licoo2、li3ticl6或li4ti5o12中的至少一种；

10.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，形成所述负极的材料包括sn、in、li、sb、cu、si、ag-c、li-in合金、fe3o4、tio2、mno、石墨、石墨烯、li4ti5o12中的至少一种；

技术总结一种固态电解质材料、其制备方法和锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。固态电解质材料的制备方法包括：在水含量和氧含量均不高于0.01ppm的惰性气体环境中，将摩尔比为0.4‑3：1的氮化锂和卤化钽进行球磨，球磨转速不低于500rmp，球磨时间为30‑300h。通过上述方法制备获得的固态电解质材料具有较高的离子电导率。技术研发人员：韩松柏,朱金龙,洪博龙,高磊,王李平,邹如强受保护的技术使用者：南方科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5