[发明专利]一种离子电子共导电材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种离子电子共导电材料及其制备方法和应用，离子电子共导电材料包括氧化物/金属复合材料、硫化物/金属复合材料和聚合物材料中的至少一种。制备方法包括：通过将无机氧化物或硫化物型锂离子固体电解质材料中部分金属元素还原成金属单质获得，或者，通过将导电聚合物溶液与锂盐均匀混合再经浇注和蒸干溶剂获得，用于构建固态锂电池复合电极中的离子电子共导电网络。本发明的离子电子共导电材料可以实现在一种材料上同时获得优异的电子导电性和离子导电性，可在固态锂电池中构建电子导电网络和离子导电网络均匀分布的复合电极，提高电池充放电容量和循环性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体来说涉及一种离子电子共导电材料及其制备方法和应用。

背景技术

发展高效二次电池储能器件，对于改善电力平衡、发展风和光可持续能源、推动新能源汽车发展都具有重要战略意义。锂离子电池具有比能量高、比功率高、自放电小、无记忆效应等优点，逐步进入了电动车、轨道交通、大规模储能等领域。然而，安全问题一直是限制锂离子电池在动力电池、智能电网等大规模储能领域应用的重大瓶颈。目前广泛使用的锂离子电池均采用易挥发且可燃的液态有机电解液。一方面，存在易燃易爆的安全隐患；另一方面，可加工性受到一定的限制，很难高电压集成、薄膜化等。固体电解质具有不挥发不可燃、宽电位窗口、优异的热稳定性和化学稳定性等优点，可从根本上解决二次锂电池的安全性问题。同时，固体电解质易于薄膜化和高电压集成，在安全动力电池和柔性可穿戴电子设备领域扮演着重要角色。

固体电解质材料可分为两大类：（1）聚合物固体电解质；（2）无机固体电解质。无机固体电解质主要包括硫化物电解质和氧化物电解质。硫化物固体电解质具有室温离子电导率高(最高可达10^-2 S cm^-1)、电化学窗口宽以及合成温度低等优势，但硫化物固体电解质的化学稳定性差，与空气和水接触后会迅速发生化学反应。氧化物固体电解质体系中，石榴石结构锂镧锆氧基固体电解质LLZO具有优异的对锂稳定性，且室温离子电导率最高可达10^-3 S cm^-1。近年来研究发现，LLZO固体电解质表面长期暴露在空气中会形成Li₂CO₃，在水溶液中会与H₂O发生质子交换反应。表面碳酸锂和质子交换反应均导致LLZO的离子电导率降低。NASICON型LATP（Li_{1+ x}Al_xTi_2–x(PO₄)₃）、LAGP（Li_{1+ x}Ge_xTi_2–x(PO₄)₃）具有优异的空气稳定性，即使在水溶液中依然保持稳定的离子导电性。由于LATP、LAGP中的Ti⁴⁺和Ge⁴⁺与金属锂接触会被还原成Ti和Ge，需要在金属锂负极界面处引入中间缓冲层，防止电解质层被持续还原。

传统锂离子电池采用有机电解液作为电解质，电解液注入电池后可渗透浸润电极内部形成良好的接触界面。固态锂电池采用不具有流动性的固体电解质，需要在复合正极中构建贯通的离子导电通道和电子导电通道。在目前的研究中，复合正极中的离子导电通道和电子导电网络目前通常由固体电解质材料和导电碳等电子导电添加剂机械混合来实现，所获得复合正极的导电均匀性和电化学稳定性都有待提高。可见，设计制备锂离子电子共导电的导体材料是构建复合正极中离子/电子导电网络的重要研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子电子共导电材料及其制备方法和应用，以实现在一种材料上同时获得优异的电子导电性和离子导电性，可在固态锂电池中构建电子导电网络和离子导电网络均匀分布的复合电极，提高电池充放电容量和循环性能。

为此，本发明提供了一种离子电子共导电材料，包括氧化物/金属复合材料、硫化物/金属复合材料和聚合物材料中的至少一种。