本發(fā)明涉及鋰離子電池，具體為一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池俗稱搖椅電池，是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱，是一種二次電池，主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，鋰離子電池由正極、負極、電解液及隔膜，外加正負引線、電池殼、安全裝置等組成的，鋰離子電池在充放電過程中，li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反，手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池，石油焦炭和石墨作負極材料無毒，且資源充足，鋰離子嵌入碳中，克服了鋰的高活性，解決了傳統(tǒng)鋰電池存在的安全問題，正極lixcoo2在充、放電性能和壽命上均能達到較高水平，使成本降低，總之鋰離子電池的綜合性能提高了。

2、傳統(tǒng)的液態(tài)電池由于包含大量有機可燃的液態(tài)電解質(zhì)，存在安全性能差、能量密度低、工作溫度范圍窄等缺陷，相比之下，全固態(tài)電池因其不含液態(tài)物質(zhì)，在安全性、能量密度、循環(huán)壽命及電化學(xué)窗口等方面具有顯著優(yōu)勢，固態(tài)電解質(zhì)作為全固態(tài)電池的關(guān)鍵組分，其性能直接決定了電池的整體性能，硫化物固態(tài)電解質(zhì)因其高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)窗口及冷壓成型等優(yōu)點，在電動汽車、便攜式設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，然而，硫化物固態(tài)電解質(zhì)存在穩(wěn)定性差、離子電導(dǎo)率偏低等問題，限制了其實際應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池，解決了上述背景技術(shù)中所提到的問題。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，包括核層及包覆設(shè)置在核層外表面上的疏水材料層，所述核層包括多個硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒及分布在硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒之間的金屬氧化物量子點。

3、優(yōu)選的，所述金屬氧化物量子點中的金屬元素選自第iiia族、第viii族、第ivb族、第viib族元素中的一種或多種，優(yōu)選為sno2、mno、coo、fe2o3或tio2量子點。

4、優(yōu)選的，所述硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒選自li7-xps6-xclx顆粒中的一種或多種，其中0.6≤x≤1.9，優(yōu)選為li6ps5cl顆粒。

5、優(yōu)選的，所述核層中，硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒和金屬氧化物量子點的重量比為1:(0.15～0.7)。

6、優(yōu)選的，所述一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，其制備方法具體包括以下步驟：

7、s1、原料的準備：根據(jù)目標硫化物基固態(tài)電解質(zhì)的化學(xué)式，選擇相應(yīng)的硫化物、鹵化物等作為原料，對于li6ps5cl等硫化物固態(tài)電解質(zhì)，需要準備li2s、p2s5和licl原料；

8、s2、混合與球磨：將選定的原料按照一定的摩爾比進行混合，確?；旌暇鶆?，將硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒和金屬氧化物量子點混合進行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為200～500r/min，球磨時間為3～10小時；

9、s3、改性處理：在球磨過程中，向混合物中引入改性元素，這些改性元素可以是金屬氧化物量子點，sno2、mno、coo，它們可以通過提高固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率、增強空氣穩(wěn)定性等方式對電解質(zhì)進行改性，確保改性元素與硫化物基固態(tài)電解質(zhì)顆粒充分混合均勻；

10、s4、熱處理與燒結(jié)：將混合均勻的粉體進行預(yù)燒結(jié)處理，在800-1000℃下煅燒10-15小時，以去除部分揮發(fā)性雜質(zhì)，并初步形成固態(tài)電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，為了提高固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)晶度和致密度，采用二次燒結(jié)工藝；

11、s5、后處理與表征：對燒結(jié)后的固態(tài)電解質(zhì)進行必要的后處理，研磨、篩分，以獲得符合要求的電解質(zhì)粉末或片材，通過x射線衍射(xrd)、掃描電子顯微鏡(sem)等手段對制得的固態(tài)電解質(zhì)進行表征，以確認其晶體結(jié)構(gòu)、形貌和性能等參數(shù)。

12、優(yōu)選的，所述s2中，采用高能球磨機對混合后的原料進行球磨處理，球磨過程中，通過機械力的作用使原料顆粒細化，并促進原料之間的混合和反應(yīng)，s4中，將預(yù)燒結(jié)得到的電解質(zhì)片破碎研磨至粉末狀，再次壓片并在稍高的溫度下進行燒結(jié)，二次燒結(jié)有助于均化晶粒尺寸，提高電解質(zhì)的性能。

13、本發(fā)明還公開了一種全固態(tài)電池，所述全固態(tài)電池包括正極層、負極層和設(shè)置于正極層和負極層之間的多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)層，所述負極層由鋰鎂合金制成，鋰鎂合金中鎂金屬的質(zhì)量比為1.4％～6％，優(yōu)選為4％，所述正極層由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和硫化物固態(tài)電解質(zhì)組成，活性物質(zhì)可為lini_xco_ymn_zo_2或lini_xco_yal_zo_2，其中0<x<1、0<y<1、x+y+z＝1，所述導(dǎo)電劑為石墨、石墨烯、碳納米管、乙炔黑或super?p中的一種或多種。

14、優(yōu)選的，所述一種全固態(tài)電池，其制備方法具體包括以下步驟：

15、s1、將多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)粉末壓制成電解質(zhì)片；

16、s2、將正極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和固態(tài)電解質(zhì)粉末混合，鋪在電解質(zhì)片的一側(cè)，壓制成正極層；

17、s3、將鋰鎂合金置于電解質(zhì)片的另一側(cè)，壓制成負極層，得到全固態(tài)電池。

18、有益效果

19、本發(fā)明提供了一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池。與現(xiàn)有技術(shù)相比具備以下有益效果：該多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池，包括核層及包覆設(shè)置在核層外表面上的疏水材料層，所述核層包括多個硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒及分布在硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒之間的金屬氧化物量子點，金屬氧化物量子點中的金屬元素選自第iiia族、第viii族、第ivb族、第viib族元素中的一種或多種，優(yōu)選為sno2、mno、coo、fe2o3或tio2量子點，硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒選自li7-xps6-xclx顆粒中的一種或多種，其中0.6≤x≤1.9，優(yōu)選為li6ps5cl顆粒，核層中，硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒和金屬氧化物量子點的重量比為1:(0.15～0.7)，通過引入金屬氧化物量子點，有效提升了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，改善了電池的整體性能，金屬氧化物量子點的加入增強了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的晶格穩(wěn)定性，提高了其在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性，采用鋰鎂合金作為負極，提高了負極的理論比容量和電壓窗口，同時改善了負極與電解質(zhì)界面的阻抗，抑制了鋰枝晶的生長，全固態(tài)電池不含液態(tài)電解質(zhì)，從根本上解決了傳統(tǒng)液態(tài)電池的安全性問題，提高了電池的安全性和可靠性。

技術(shù)特征：

1.一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，包括核層及包覆設(shè)置在核層外表面上的疏水材料層，其特征在于：所述核層包括多個硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒及分布在硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒之間的金屬氧化物量子點。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于：所述金屬氧化物量子點中的金屬元素選自第iiia族、第viii族、第ivb族、第viib族元素中的一種或多種，優(yōu)選為sno2、mno、coo、fe2o3或tio2量子點。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于：所述硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒選自li7-xps6-xclx顆粒中的一種或多種，其中0.6≤x≤1.9，優(yōu)選為li6ps5cl顆粒。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于：所述核層中，硫化物固態(tài)電解質(zhì)顆粒和金屬氧化物量子點的重量比為1:(0.15～0.7)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于：其制備方法具體包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于：所述s2中，采用高能球磨機對混合后的原料進行球磨處理，球磨過程中，通過機械力的作用使原料顆粒細化，并促進原料之間的混合和反應(yīng)，s4中，將預(yù)燒結(jié)得到的電解質(zhì)片破碎研磨至粉末狀，再次壓片并在稍高的溫度下進行燒結(jié)，二次燒結(jié)有助于均化晶粒尺寸，提高電解質(zhì)的性能。

7.一種全固態(tài)電池，其特征在于：所述全固態(tài)電池包括正極層、負極層和設(shè)置于正極層和負極層之間的多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)層，所述負極層由鋰鎂合金制成，鋰鎂合金中鎂金屬的質(zhì)量比為1.4％～6％，優(yōu)選為4％，所述正極層由活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和硫化物固態(tài)電解質(zhì)組成，活性物質(zhì)可為lini_xco_ymn_zo_2或lini_xco_yal_zo_2，其中0<x<1、0<y<1、x+y+z＝1，所述導(dǎo)電劑為石墨、石墨烯、碳納米管、乙炔黑或super?p中的一種或多種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全固態(tài)電池，其特征在于：其制備方法具體包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)，包括核層及包覆設(shè)置在核層外表面上的疏水材料層，本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。該多元素改性晶態(tài)硫化物基固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池，通過引入金屬氧化物量子點，有效提升了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，改善了電池的整體性能，金屬氧化物量子點的加入增強了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的晶格穩(wěn)定性，提高了其在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性，采用鋰鎂合金作為負極，提高了負極的理論比容量和電壓窗口，同時改善了負極與電解質(zhì)界面的阻抗，抑制了鋰枝晶的生長，全固態(tài)電池不含液態(tài)電解質(zhì)，從根本上解決了傳統(tǒng)液態(tài)電池的安全性問題，提高了電池的安全性和可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：王賓,姚寬科
受保護的技術(shù)使用者：中科融能（鹽城）科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19