[发明专利]一种石榴石结构的混合离子-电子导体及其在储能器件中的应用

说明书

本发明涉及一种石榴石结构的混合离子‑电子导体及其在储能器件中的应用，导体通式为(Li_mM_n)_xLa₃(Zr_1‑aX_a)₂O₁₂；其中0m≤1，0≤n≤0.5，m+n≤1；3≤x≤7.5；其中，M包括至少一种选自H、Na、K、Rb、Mg、Ca、Sr、Ba、Y、La、Ti、Zr、Zn、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、P、S、Se的元素。其中0≤a1；其中，X包括至少一种选自Ta,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Fe,Co,Ni,Si,Ge,Sn,Pb,As,Sb,Se的元素。本发明导体具有高的离子电导率和电子电导率，可在电池或电容器中的电极/电解质界面层，以及正极层和负极层中应用。本发明可应用于锂离子电池、可充放金属锂电池、锂液流电池、锂离子电容器，这些储能器件具有广泛的用途。

技术领域

本发明涉及一种混合离子-电子导体(混合导体)材料、以及包含此混合导体材料的复合混合导体材料，以及其在储能器件中的应用。

背景技术

锂离子二次电池具有良好的综合性能，在大型储能、电动汽车、消费电子等行业中广泛应用，因此人们对其安全性能、能量密度以及功率密度提出更高的要求。与传统的有机电解质相比，无机固体电解质不可燃，且具有匹配高能量密度金属锂负极的可能性，在下一代高能量密度锂电池的研发中，受到广泛关注。而对于全固态电池而言，固-固界面的动力学极限是限制其应用的最大挑战(K.Kerman,A.Luntz,V.Viswanathan,Y.M.Chiang,Z.B.Chen,J Electrochem Soc 2017,164,A1731)。Li/固体电解质界面的热力学/动力学稳定性问题研究中，本专利所涉及立方相石榴石型固体电解质Li₇La₃Zr₂O₁₂(c-LLZO)的掺杂优化后的室温离子电导率可超过10^-3S/cm(R.Murugan,V.Thangadurai,W.Weppner,Angewandte Chemie International Edition 2007,46,7778；V.Thangadurai,H.Kaack,W.Weppner,Journal of the American Ceramic Society 2003)，且具有宽的电化学窗口^[3]和良好的机械性能(V.Thangadurai,D.Pinzaru,S.Narayanan,A.K.Baral,TheJournal of Physical Chemistry Letters2015,6,292；V.Thangadurai,W.Weppner,Advanced Functional Materials 2005,15,107)，有报道表明石榴石型固体电解质不容易与金属锂反应(X.-B.Cheng,R.Zhang,C.-Z.Zhao,F.Wei,J.-G.Zhang,Q.Zhang,AdvancedScience 2016,3,1500213)。此外，Li/LLZO具有极小的本征界面电阻(J.Gao,X.Guo,Y.Li,Z.Ma,X.Guo,H.Li,Y.Zhu,W.Zhou,Advanced Theory and Simulations 2019,1900028；A.Sharafi,E.Kazyak,A.L.Davis,S.Yu,T.Thompson,D.J.Siegel,N.P.Dasgupta,J.Sakamoto,Chemistry of Materials 2017,29,7961)。综上所述，石榴石型固体电解质是最常见的用于固态电池的无机固体电解质之一(V.Thangadurai,S.Narayanan,D.Pinzaru,Chem Soc Rev 2014,43,4714)。