[发明专利]一种电子、碱金属离子混合传导的硫化物材料及其应用

说明书

本发明属于电池技术领域，涉及一种电子、碱金属离子混合传导的硫化物材料以及其在全固态二次锂电池中的应用。硫化物材料通式为AMS₂或ATi₂(PS₄)₃，通式中A位和/或S位异价元素掺杂；其中，A位为碱金属元素，A位异价掺杂元素为化合价+1的金属元素，S位异价掺杂元素为卤素，M为过渡金属元素。本发明通过对含有碱金属元素和过渡金属元素的硫化物材料进行异价元素取代，进而调控碱金属离子浓度以提高硫化物材料的碱金属离子传导能力以及过渡金属元素的价态以提高硫化物材料的电子传导能力。此硫化物材料在室温下的电子电导率不低于1 S cm⁻¹，离子电导率不低于0.1 mS cm⁻¹。本发明还公开了上述硫化物材料所组装的全固态电池。

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种电子、碱金属离子混合传导的硫化物材料以及其在全固态二次锂电池中的应用。

背景技术

锂离子电池作为电动汽车的动力电池以及太阳能、风能等新能源的储能电池被寄予厚望。商品锂离子电池以液态有机物作为电解质。液态电解质（电解液）具有电导率高，与电极材料表面有良好的润湿性等优点，但其电化学窗口窄（电化学稳定性差）、热稳定性差，正负极之间仅非常薄的热塑性多孔隔膜阻隔，在电池的封装、运输、充放电过程中存在内部短路的隐患，而一旦此类电池发生内短路，轻则使电池失效，重则使电池起火甚至爆炸。因此，传统锂离子电池已无法满足当代社会对电池提出的高安全性的要求。相比于液态电解质，无机陶瓷电解质热稳定性好、不燃烧，以无机陶瓷电解质取代液态电解质，从根本上解决锂离子电池安全性问题已成为共识。

在无机陶瓷电解质中，硫系电解质室温电导率较高（10⁻⁴～10⁻² S cm⁻¹）且机械性能优异，在全固态电池领域越来越受到科学家的青睐。因而，基于硫化物电解质的全固态电池被广泛研究。但由于硫化物电解质与导电添加剂的不稳定性（Chem. Mater. 2016, 28,8, 2634），导致基于硫化物电解质的全固态电池所采用的复合正极中通常不含有导电添加剂，为“正极活性材料+硫化物电解质”。其中，硫化物电解质几乎不具备电子传导能力（10⁻¹⁰～10⁻⁸ S cm⁻¹），仅提供离子输运通道；而正极活性材料的离子传导能力和电子传导能力同样不足，极大限制了硫化物基全固态电池的倍率性能（室温下C运行）。因而，开发一种兼顾电子、离子输运能力的硫化物材料应用于复合电极必将提高硫化物基全固态电池的室温倍率性能，从而极大推动硫化物基全固态电池的商业化进程。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种电子、碱金属离子混合传导的硫化物材料以及其在全固态二次锂电池中的应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种电子、碱金属离子混合传导的硫化物材料，硫化物材料通式为AMS₂或ATi₂(PS₄)₃，通式中A位和/或S位异价元素掺杂；其中，A位为碱金属元素，A位异价掺杂元素为化合价 +1的金属元素，S位异价掺杂元素为卤素，M为过渡金属元素。

所述硫化物材料通式中A位和/或S位异价元素掺杂，使得通式中M或Ti价态改变，A数量（A原子数量）改变，即通式为A_1−zA'_xMS_2−yS'_y或A_1−zA'_xTi₂(PS_4−yS'_y)₃，式中，x、y和z满足通式化合价要求，且x和y不同时为0，0 z 1。

所述硫化物材料通式为A_1−zA'_xMS_2−yS'_y时，当A'价态为a价时，ax + y z 1。