[发明专利]具有固体电解质的高能量密度熔融锂硫和锂硒电池

说明书

本发明公开了一种熔融锂硫和锂硒电化学电池。固体电解质将熔融锂金属或熔融锂金属合金与熔融硫或熔融硒分开。所述熔融锂硫和锂硒电池的过电位低、无副反应、无枝晶生长。这些电池具有较高的库仑效率和能量效率，并因此为构建高能量、高功率、长寿命、低成本和安全的储能系统提供了新的化学物质。

背景技术

高能量密度电池对于消费电子、航空、电动汽车和新兴的大规模固定仓储中的应用至关重要。本领域现有技术的锂离子电池（LIB）具有低于300 Wh kg^-1 和750 Wh L^-1的能量密度。能量密度高于500 Wh kg^-1和1000 Wh L^-1的可靠电池系统尚未被开发来满足长期需求。锂离子电池的能量密度受到商业金属氧化物阴极（例如磷酸铁锂，~140 mAh g^-1）、商业碳基阴极（例如石墨，~340 mAh g^-1）的锂存储容量的限制，并且还受到传统“三明治（sandwich）”电池配置（堆叠集电器/阴极/分离器/阳极/集电器）的限制。

需要改良的用于固定能量存储的电池。

发明内容

在一些实施方案中，本发明描述了高能量密度的熔融锂硫（Li-S）和锂硒（Li-Se）电池，其可以通过将熔融的S或Se（或其混合物）阳极、熔融的锂阴极和固体电解质组合在一起来制备，所述固体电解质例如由Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂（LLZTO）组成，其能够传导锂离子。如实验实施例所示，这种熔融锂硫和锂硒电池展现出优异的电化学性能，包括高能量密度、高稳定性的快速充放电速率、高库仑效率和高能量效率。

如本文在各种实施方案中所描述的，这些基于固体电解质的熔融Li-S和Li-Se电池提供新的化学物质以构建高能量、高功率、长寿命、低成本和安全的能量存储系统。相信这种电池在理论上可以达到2395 Wh kg^-1和1015 Wh kg^-1的能量密度。

根据本发明所公开的一个实施方案，提供了一种电化学电池，其包括：包含锂金属或锂合金的阳极，包含硫、硒或其混合物的阴极，以及位于阳极和阴极之间的固体电解质。在一些实施方案中，固体电解质能够传导锂离子。

在各种实施方案中，在操作/工作温度（例如240℃）下，锂金属或锂合金是熔融的，硫或硒是熔融的，且固体电解质保持固态。在一些实施方案中，电化学电池被配置来在温度为120℃至600℃的范围内操作。

固体电解质可通过锂离子传导氧化物、锂离子传导磷酸盐、锂离子传导硫化物或其组合制备。锂离子传导氧化物可以是石榴石（garnet）型氧化物、锂超离子导体（LISICON）型氧化物、钙钛矿型氧化物或其组合。

石榴石型氧化物的非限制性实施例是掺杂钽（Ta）的Li₇La₃Zr₂O₁₂，例如Li_7-xLa₃Zr_2-xTa_xO₁₂，其中x为0.1至1.0。在一些实施方案中，x为0.4至0.6。掺杂Ta的Li₇La₃Zr₂O₁₂的具体实施例包括Li_6.4La₃Ta_0.6Zr_1.4O₁₂、Li_6.5La₃Ta_0.5Zr_1.5O₁₂、或Li_6.6La₃Ta_0.4Zr_1.6O₁₂。