[发明专利]作为锂超离子导体的钽酸锂钾化合物、固体电解质以及用于锂金属电池和锂离子电池的涂层

说明书

提供含有能够传导锂离子的阴离子框架的钽酸锂钾基化合物的固态锂离子电解质。锂金属硅酸盐复合材料的活化能为0.12eV至0.45eV，并且在300K下的导电性为10^‑3mS/cm至40mS/cm。提供特定式的化合物，并且示出通过包含异价离子来改变材料的方法。还提供含有复合锂离子电解质的锂电池。还提供含有钽酸锂钾基材料的电极和具有这种电极的电池。

联合研究协议各方的名称

本文的公开内容是根据丰田汽车工程和制造北美有限公司(TOYOTA MOTORENGINEERINGMANUFACTURING NORTH AMERICA,INC.)(地址为75024，德克萨斯州普莱诺市W1-3C总部大道6565号(6565Headquarters Drive W1-3C,Plano,Texas,75024))和马里兰大学帕克分校(地址为20742，马里兰州大学公园市摄政大道7999号米歇尔大厦2130号(2130Mitchell Bldg.7999Regents Dr.College Park,Maryland,20742))之间的联合研究协议进行的联合研究工作的结果。

技术领域

本公开涉及可用作锂超离子导体的新型钽酸锂钾化合物、含有所述新型钽酸锂钾化合物的固体电解质以及用于含有所述新型钽酸锂钾化合物的锂金属电池和锂离子电池的电极涂层。

背景技术

传统上，锂离子电池主导着便携式电子设备市场。然而，传统的锂离子电池含有易燃的有机溶剂作为电解质的组分，并且这种易燃性是所顾虑的安全风险的基础，并且可能限制或阻止锂离子电池用于大规模能量存储中的应用。

用固体锂导电相代替易燃的有机液体电解质将减轻这一安全问题，并且可提供额外的优点，诸如改善的机械和热稳定性。固体锂导电相(通常称为固体锂离子导体或固态电解质)的主要功能是在放电期间将Li⁺离子从阳极侧传导至阴极侧，并在充电期间将Li⁺离子从阴极侧传导至阳极侧，同时阻挡电子在电池内的电极之间的直接传输。

此外，已知由非水电解质构成的锂电池在重复的放电和充电循环中会形成从阳极向阴极突出的树枝状锂金属结构。如果并且当这种枝晶结构突出到阴极并且短路时，电池能量被迅速释放并且可能引发有机溶剂的点燃。

因此，人们对新的固体锂离子导电材料的发现很感兴趣，并作出很大努力，从而将产生全固态锂电池。过去几十年的研究主要集中在离子导电氧化物上，诸如例如LISICON(Li₁₄ZnGe₄O₁₆)、NASICON(Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃)、钙钛矿(例如La_0.5Li_0.5TiO₃)、石榴石(Li₇La₃Zr₂O₁₂)、LiPON(例如Li_2.88PO_3.73N_0.14)和硫化物(诸如例如Li₃PS₄、Li₇P₃S₁₁和LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂))。

虽然最近的发展已经将固体锂离子导体的导电性标记至1mS/cm至10mS/cm的水平，这与液相电解质中的导电性相当，但对于找到新的锂离子固态导体具有极大的兴趣。