[发明专利]固态电解质及其制备方法以及全固态锂二次电池

说明书

本发明提供一种固态电解质及其制备方法以及全固态锂二次电池。所述固态电解质的通式为Li₂S‑P₂S₅‑M，M表示磺酰亚胺锂盐，且M中磺酰亚胺阴离子部分的结构式如下，其中，n选自0～4内的整数；X选自F、Cl、Br、I中的一种；Y选自F、Cl、Br、I、碳原子数为1～4的全氟烷基中的一种。所述固态电解质具有较高的离子电导率，其与电极材料之间的具有较好的界面稳定性，将其应用到全固态锂二次电池中后，全固态锂二次电池具有较高的首周比容量、首周库仑效率和良好的循环性能。

技术领域

本发明涉及电池领域，更具涉及一种固态电解质及其制备方法以及全固态锂二次电池。

背景技术

锂二次电池具有输出功率大、能量密度高、使用寿命长、平均输出电压高、自放电小、无记忆效应、可快速充放电、循环性能优越与无环境污染等优点，已经成为当今用于数码电子产品的可充电电源的首选对象，也被认为是最具竞争力的车用动力电池。目前锂二次电池主要采用液态电解质材料，其中含有大量有机溶剂，导致液态锂二次电池安全隐患凸出。由于全固态锂二次电池具有液态锂二次电池不可比拟的安全性，并有望彻底消除使用过程中的安全隐患，更符合电动汽车和规模储能领域未来发展的需求。因此，各国研究者正大力开发全固态锂二次电池。至今，限制了全固态锂二次电池应用化的主要的瓶颈之一是高性能固态电解质材料(solid electrolyte，简称为SE)的研究开发。因此，合成具有高离子电导率和宽电化学窗口的固态电解质势在必行。

诸多研究报道表明通过向硫化物电解质Li₂S-P₂S₅体系中掺杂不同化合物是获得高电导率或高化学(电化学)稳定性固态电解质的有效途径。例如2015年12月9日公布的中国专利CN105140560A公开了向0.75Li₂S-0.25P₂S₅体系中掺入卤化锂(LiF、LiCl、LiBr、LiI)等可提高电解质电导率至10^-3S/cm级。文献(Ezhiylmurugan Rangasamy,etal.,An Iodide-Based Li₇P₂S₈I Superionic Conductor,J.Am.Chem.S℃.,2015,137,1384-1387)报道了添加LiI等卤化锂有助于提高Li₂S-P₂S₅电解质与锂金属之间的界面稳定性，这是由于卤素有助于电解质在锂阳极表面形成SEI膜。文献(Bingxin Huang,etal.,Li₃PO₄-dopedLi₇P₃S₁₁glass-ceramic electrolytes with enhanced lithium ion conductivitiesand application in all-solid-state batteries,J.Power Sources,2015,284,206-211)报道Li₃PO₄等氧化物的掺杂有助于降低硫化物电解质与阴极材料之间的界面阻抗，改善电池循环性能。文献(Keiichi Minami,etal.,Mechano-chemical synthesis of Li₂S–P₂S₅glass electrolytes with lithium salts,Solid State Ionics,2010,181,1505–1509)报道了向Li₂S-P₂S₅体系中加入双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)和三氟甲基磺酸锂(LiTf)时，体系的电导率反而会下降。这是因为LiTFSI、LiTf不能分解，且难以与硫化物电解质相互作用，限制了锂离子的自由移动。

上述专利及文献公开的硫化物电解质对电导率及电化学稳定性有所提高，但距离实际应用的要求还很远。