空氣穩定的固態硫化物電解質制造技術

一種方法，其包括使兩親性表面保護劑與水敏感性Li離子導體材料的表面接觸，從而導致被保護的Li離子導體材料，以及組裝包括該被保護的Li離子導體材料的電化學電池。的Li離子導體材料的電化學電池。的Li離子導體材料的電化學電池。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】空氣穩定的固態硫化物電解質
[0001]本申請要求2020年10月23日提交的美國臨時專利申請No.63/104,718的權益，其被整體地并入本文。
[0002]政府支持的確認
[0003]本專利技術是在根據美國能源部給予的合同DE
?
AC0576RL01830的政府支持下完成的。政府對本專利技術具有一定的權利。

技術介紹

[0004]鋰離子電池(LIB)已廣泛地使用在我們的日常生活中，特別是在便攜式電子設備(如手機和個人電腦)中。近年來，LIB也已被用作電動車輛(EV)的電源，這大大擴大了LIB在儲能市場中的份額。隨著EV市場預計到2030年將進一步增長50％，對具有更高能源/功率密度以及卓越安全特性的新一代LIB的需求變得迫切。但是，隨著電池能量密度的增加，安全問題也隨之增加，這主要是因為有機液態電解質(OLE)具有固有的高易燃性、大揮發性和與氧化或還原電極材料接觸時發生的自由基反應性。與LIB或使用OLE的鋰金屬電池(LMB)相比，在全固態電池(ASSB)中采用易燃的無機固態電解質(SSE)可以從根本上消除安全問題。
[0005]高性能固態電解質(SSE)，如硫化物、氧化物和聚合物基電解質，對于具有高能量和功率密度的ASSB的成功至關重要。在這些SSE之中，硫化物被認為更有前景，因為它們的柔軟性質和在室溫下的高離子電導率，這兩者都確保了良好的SSE/電極材料接觸和快速的鋰離子傳導。但是，與產生劇毒的H2S氣體有關的硫化物SSE的水穩定性差，阻礙了其在實際規模上的評估和應用。為了解決這個關鍵問題，先前已經嘗試了幾個策略。
[0006]一個策略是將無機H2S吸收添加劑(如Fe2O3、ZnO和Bi2O3)結合到SSE中，以化學方式消耗產生的H2S氣體。盡管從SSE釋放的H2S的量可以在一定程度上降低，但由于H2S釋放反應的存在和這些添加劑的非導電性質，總體Li離子導電率大大降低。另一個策略的重點是基于硬/軟酸
?
堿(HSAB)理論開發具有固有良好的水穩定性的硫化物SSE。具體地，相對于軟酸，如Cu1、Ge
IV
和As
V
，更喜歡結合軟堿，如S2?
，從而形成強共價鍵和剛性架構。在HSAB理論的指導下，已經開發了季銨硫化物，如Li
3.833
Sn
0.833
As
0.166
S4和Li4Cu8Ge3S
12
，它們表現出改善的水穩定性。但是，這些含硫化物的SSE(也包括Li
10
GeP2S
12
和Li
10
SnP2S
12
)對Li金屬陽極的化學/電化學穩定性差，其中SSE被還原為電子導電的Li金屬合金(LiGe
x
和LiSn
x
)，最終使電池短路。此外，那些含有“重金屬”的SSE通常涉及高溫合成和高材料密度的代價。此外，現有的固態硫化物電解質的空氣穩定性差，這使得很難在周圍的空氣環境中生產材料。

技術實現思路

[0007]本文公開的一個實施例是一種方法，包括：
[0008]使兩親性表面保護劑與水敏感性Li離子導體材料的表面接觸，從而導致被保護的Li離子導體材料，以及
[0009]組裝包括該被保護的Li離子導體材料的電化學電池。
[0010]本文公開的另一個實施例是一種方法，包括：
[0011]將兩親性表面保護劑涂覆于含硫化物的固態電解質材料的表面上。
[0012]本文公開的另一個實施例是一種材料，包括涂覆有兩親性表面保護劑的含硫化物的固態電解質，其中該兩親性表面保護劑包括：親水頭，其中該親水頭選自
?
OH；
?
C(O)O
?
；
?
C＝O
?
；
?
NH
?
；
?
Al
n
(OH)
m
，其中n≥1且m≥1；
?
PO4?
；
?
C(O)NH2；
?
NH2；
?
OSO3H；
?
SO3H；
?
SH；
?
Cl；
?
Br；
?
I；以及
?
NR
4+
，其中R為C
x
H
2x+1
，
X
≥1；和親水尾，該親水尾選自
?
CH3；
?
CH2?
CH3；
?
R
?
C6H5，其中R為C
x
H
2x+1
，
X
≥1；
?
CH＝CH2；
?
C3?
C
50
烷基或取代烷基；
?
C3?
C
50
烯基或取代烯基；
?
C3?
C
50
炔基或取代炔基；(CH2)
n
(n≥2)；
?
CH2F；
?
CHF2；
?
CF3；(CF2)
n
(n≥2)；和(Si(CH3)2?
O
?
)n(n≥2)。
[0013]本文公開的另一個實施例是一種構建體，包括：
[0014]涂覆有兩親性表面保護劑的含硫化物的固態電解質，其中該兩親性表面保護劑包括親水頭，該親水頭選自
?
OH；
?
C(O))O
?
；
?
C＝O
?
；
?
NH
?
；
?
Al
n
(OH)
m
，其中n≥1且m≥1；
?
PO4?
；
?
C(O)NH2；
?
NH2；
?
OSO3H；
?
SO3H；
?
SH；
?
Cl；
?
Br；
?
I；以及
?
NR
4+
，其中R為C
x
H
2x+1
，
X
≥1；和親水尾，該親水尾選自
?
CH3；
?
CH2?
CH3；
?
R
?
C6H5，其中R為C
x
H
2x+1
，
X
≥1；
?
CH＝CH2；
?
C3?
C
50
烷基或取代烷基；
?
C3?...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種方法，包括：使兩親性表面保護劑與水敏感性Li離子導體材料的表面接觸，從而導致被保護的Li離子導體材料，以及組裝包括所述被保護的Li離子導體材料的電化學電池。2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述Li離子導體材料為含硫化物的固態電解質材料。3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述兩親性表面保護劑包括：親水頭，所述親水頭選自
?
OH；
?
C(O)O
?
；
?
C＝O
?
；
?
NH
?
；
?
Al
n
(OH)
m
，其中n≥1且m≥1；
?
PO4?
；
?
C(O)NH2；
?
NH2；
?
OSO3H；
?
SO3H；
?
SH；
?
Cl；
?
Br；
?
I；以及
?
NR
4+
，其中R為C
x
H
2x+1
，
X
≥1；和親水尾，所述親水尾選自
?
CH3；
?
CH2?
CH3；
?
R
?
C6H5，其中R為C
x
H
2x+1,X
≥1；
?
CH＝CH2；
?
C3?
C
50
烷基或取代烷基；
?
C3?
C
50
烯基或取代烯基；
?
C3?
C
50
炔基或取代炔基；(CH2)
n
(n≥2)；
?
CH2F；
?
CHF2；
?
CF3；(CF2)
n
(n≥2)；和(Si(CH3)2?
O
?
)
n
(n≥2)。4.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述兩親性表面保護劑具有選自
?
SH、
?
Cl、
?
Br或
?
I的親水頭；和
?
C3?
C
50
烷基或取代的
?
C3?
C
50
烷基親水尾。5.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述兩親性表面保護劑為C
x
H
2x+1
Br(x≥1)；C
x
H
2x+1
Cl(x≥1)；C
x
H
2x+1
I(x≥1)；C
x
H
2x+1
SH(x≥1)；R1OR2，其中R1和R2各自獨立地為C
x
H
2x+1
(x≥1)；R1COOR2，其中R1和R2各自獨立地為C
x
H
2x+1
(x≥1)；或其混合物。6.根據權利要求2所述的方法，其中，所述兩親性表面保護劑為1
?
溴戊烷。7.根據權利要求2至6中任一項所述的方法，其中，所述含硫化物的固態電解質材料為Li7P2S8X，其中X為Cl、Br、I和/或F。8.根據權利要求2至6中任一項所述的方法，其中，所述含硫化物的固態電解質材料為Li3PS4或Li
10
GeP2S
12
。9.根據權利要求2至8中任一項所述的方法，其中，組裝所述電化學電池包括：形成所述含硫化物的固態電解質材料，形成陰極，以及形成陽極，其中所述含硫化物的固態電解質材料被插置在所述陽極與所述陰極之間。10.一種方法，包括：將兩親性表面保護劑涂覆于含硫化物的固態電解質材料的表面上。11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述方法進一步包括：處理涂覆的所述含硫化物的固態電解質材料，隨后從涂覆的所述含硫化物的固態電解質材料上去除涂層。12.根據權利要求10或11所述的方法，其中，所述兩親性表面保護劑具有選自
?
SH、
?
Cl、
?
Br或
?
I的親水頭；和
?
C3?
C
50
烷基或取代的
?
C3?
C
50
烷基親水尾。13.根據權利要求10或11所述的方法，其中，所述兩親性表面保護劑為C
x
H
2x+1
Br(x≥1)；C
x
H
2x+1
Cl(x≥1)；C
x
H
2x+1
I(x≥1)；C
x
H
2x+1
SH(x≥1)；R1OR2，其中R1和R2各自獨立地為C
x
H
2x+1
(x≥1)；R1COOR2，其中R1和R2各自獨立地為C
x
H
2x+1
(x≥1)；或其混合物。14.根據權利要求10或11所述的方法，其中，所述兩親性表面保護劑為1
?
溴戊烷。15.根據權利要求10至14中任一項所述的方法，其中，所述含硫化物的固態電解質材料為Li7P2S8X，其中X為Cl、Br、I和/或F。16.根據權利要求10至14中任一項所述的方法，其中，所述含硫化物的固態電解質材料為Li3PS4或Li
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：于昭新，呂東平，肖婕，J，
申請(專利權)人：巴特爾紀念研究院，
類型：發明
國別省市：