[發明專利]作為鋰電池用的Li超級離子導體、固體電解質和涂層的鋰鉀元素氧化物化合物

在審

• 申請號: 202010952947.8
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112510252A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 莫一非;Q·白;X·何;凌晨
• 申請（專利權）人: 豐田自動車工程及制造北美公司;馬里蘭大學派克分院
• 主分類號: H01M10/0562
• 分類號: H01M10/0562;H01M10/0525;H01M4/66;H01M4/485;H01M4/58
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 譚冀

本發明涉及作為鋰金屬電池和鋰離子電池用的Li超級離子導體、固體電解質和涂層的鋰鉀元素氧化物化合物。具體地，提供了基于鋰鉀元素氧化物的化合物的固態鋰離子電解質，其含有能夠傳導鋰離子的陰離子骨架。元素原子是Ir、Sb、I、Nb和W。鋰鉀元素氧化物化合物的活化能為0.15?0.50eV和傳導率在300K下為10^?3?22mS/cm。提供了具有特定化學式的化合物和改變包括所示異價離子的材料的方法。還提供了含有復合鋰離子電解質的鋰電池。還提供了含有基于鋰鉀元素氧化物的材料的電極和具有這樣電極的電池。

聯合研究協議各方的名稱

本文公開內容是在TOYOTA MOTOR ENGINEERINGMANUFACTURING NORTH AMERICA,INC.(地址為6565Headquarters Drive W1-3C,Plano,Texas,75024)和UNIVERSITY OFMARYLAND,COLLEGE PARK(地址為2130Mitchell Bldg.7999Regents Dr.College Park,Maryland,20742)之間的聯合研究協議下進行的聯合研究工作的結果。

公開內容領域

本公開內容涉及新型鋰鉀元素氧化物化合物，可用作Li超級離子導體、含有新型鋰鉀元素氧化物化合物的固體電解質、和含有新型鋰鉀元素氧化物化合物的Li金屬電池和Li離子電池的電極涂層。元素可以是選自Ir、Sb、I、Nb和W的一種或多種。

背景技術

Li離子電池傳統上主導了便攜式電子設備的市場。然而，常規的Li離子電池含有可燃的有機溶劑作為電解質的組分并且這種可燃性是所關注的安全風險的基礎并且可限制或阻止使用Li離子電池應用于大規模儲能中。

用固體Li傳導相替代可燃的有機液體電解質將消除這種安全問題，并且可提供額外的優勢例如改進的機械和熱穩定性。固體Li傳導相(常稱作固體Li離子導體或固態電解質)的主要功能是在放電過程中將Li⁺離子從陽極側傳導至陰極側并在充電過程中從陰極側傳導至陽極側同時阻止電池內在電極之間電子的直接傳輸。

此外，已知由非水性電解質構成的鋰電池在重復放電和充電循環后形成從陽極突出至陰極的枝晶鋰金屬結構。如果并當這樣的枝晶結構突出至陰極并使電池短路時，能量突然釋放并可引起有機溶劑的著火。

因此，對發現將得到全固態鋰電池的新的固體Li離子傳導材料非常感興趣并作出了努力。在過去的幾十年中研究主要集中在離子傳導氧化物例如LISICON(Li₁₄ZnGe₄O₁₆)、NASICON(Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃)、鈣鈦礦(例如La_0.5Li_0.5TiO₃)、石榴石(Li₇La₃Zr₂O₁₂)、LiPON(例如Li_2.88PO_3.73N_0.14)和硫化物例如Li₃PS₄、Li₇P₃S₁₁和LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂)。

雖然最近的發展已經表明固體Li離子導體的傳導率為1-10mS/cm的水平，這與在液相電解質中的傳導率相當，但是極有興趣發現新的Li離子固態導體。