一种硫化物固体电解质及其制备方法和应用、全固态锂硫电池

本发明涉及全固态锂电池，特别是涉及一种硫化物固体电解质及其制备方法和应用、全固态锂硫电池。

背景技术：

1、随着电动汽车及储能设备的快速发展，锂离子电池长续航的需求日益提升，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。然而，传统的锂离子电池受限于正负极材料自身理论容量的限制，其理论能量密度为350～400wh/kg。由于硫单质具有高的理论比容量1675mah/g，锂硫电池的理论能量密度高达2600wh/kg，因此，锂硫电池被认为是最具潜力的电池体系之一。然而，传统的液态锂硫电池存在以下关键问题：醚类的有机电解液容易发生燃烧，造成电池爆炸等安全事故；电池循环过程中，可溶的多硫化物扩散到锂负极表面，形成不溶性的硫化锂，导致其活性物质利用率低。因此，高能量密度、高安全性的全固态锂硫电池具有巨大的发展潜力。

2、相比于其他体系的固体电解质，硫化物固体电解质具有优异的室温离子电导率，接近甚至超过液态电解液。同时，硫化物固体电解质与硫正极有良好的界面相容性。然而，硫化物固体电解质电化学窗口较低，容易与锂负极发生界面反应，导致硫化物固体电解质自身分解为硫化锂、磷化锂等。副产物的生成诱导锂枝晶在界面处形成；此外，硫正极电子绝缘的性质，使得复合正极中需要引入导电碳，然而，硫化物固体电解质容易与导电碳发生氧化反应，引起硫化物固体电解质的氧化分解。因此，如何改善硫化物固体电解质与正负极的相容性是提升全固态锂硫电池性能的重要因素。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种硫化物固体电解质及其制备方法和应用、全固态锂硫电池，解决了现有技术中硫化物固体电解质与锂负极的界面反应问题，进而抑制锂枝晶形成和生长；同时，解决了硫化物固体电解质与复合正极中导电碳的氧化反应问题，避免了硫化物固体电解质的氧化分解；此外，改性后的硫化物固体电解质具有良好的空气稳定性，适合进行批量化生产；制备的硫化物固体电解质应用于全固态锂硫电池也展现出优异的性能。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种硫化物固体电解质，由包括以下重量份数的组分制备得到：

4、硫化锂1.172～1.24份、氯化锂0.424份、五氧化二磷0.889～1.056份和氧化锑0.072～0.291份。

5、优选的，由包括以下重量份数的组分制备得到：

6、硫化锂1.195～1.217份、氯化锂0.424份、五氧化二磷0.945～1份和氧化锑0.145～0.218份。

7、本发明提供了一种上述技术方案所述的硫化物固体电解质的制备方法，包括以下步骤：

8、将所述硫化锂、氯化锂、五氧化二磷和氧化锑进行压片，得到圆片；

9、将得到的圆片进行烧结，得到硫化物固体电解质。

10、优选的，所述压片的条件包括：压力为200～500mpa；

11、所述圆片的直径为10～16mm，所述圆片的厚度为500～1000μm。

12、优选的，所述烧结的条件包括：温度为300～600℃，时间为5～20h。

13、优选的，在所述压片前还包括真空干燥、球磨和过筛。

14、优选的，所述真空干燥的温度为60℃，时间为12h；

15、所述球磨的条件包括：时间为6～40h，转速为400～1200rpm；所述球磨使用的球磨剂包括甲苯、石油醚和正庚烷中的一种或几种；所述球磨剂的使用量为10～30ml；

16、所述过筛使用的筛网目数为100～800目。

17、本发明还提供了上述技术方案所述的硫化物固体电解质在制备全固态锂硫电池中的应用。

18、本发明还提供了一种全固态锂硫电池，包括正极和负极；

19、所述负极为锂或锂铟合金；

20、所述正极包括硫/碳复合材料、上述技术方案所述的硫化物固体电解质和碳纳米管。

21、优选的，所述硫/碳复合材料、硫化物固体电解质和碳纳米管的质量比为30～70:10～30:10～40。

22、本发明的有益效果为：

23、1.经过掺杂元素改性后的硫化物固体电解质具有良好的氧化还原稳定性，提升了硫化物固体电解质的电化学窗口。

24、2.经过掺杂元素改性后的硫化物固体电解质与锂负极的界面稳定性明显提升，具有良好的界面相容性，同时，抑制了硫化物固体电解质与锂负极的界面反应，防止硫化物固体电解质发生分解反应，进而抑制锂枝晶的生成，在室温下，锂对称电池可稳定循环4000h。

25、3.经过掺杂元素改性后(氧化锑)的硫化物固体电解质与复合正极中的导电碳相容性提升，提升了硫化物固体电解质的氧化稳定性，防止了硫化物固体电解质被导电碳氧化。

26、4.经过掺杂元素改性后的硫化物固体电解质用于全固态锂硫电池，室温下，0.1c循环150圈，容量保持率达到80％以上，展示出优异的电池性能。

技术特征：

1.一种硫化物固体电解质，其特征在于，由包括以下重量份数的组分制备得到：

2.根据权利要求1所述的硫化物固体电解质，其特征在于，由包括以下重量份数的组分制备得到：

3.一种权利要求1或2所述的硫化物固体电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述压片的条件包括：压力为200～500mpa；

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的条件包括：温度为300～600℃，时间为5～20h。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述压片前还包括真空干燥、球磨和过筛。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述真空干燥的温度为60℃，时间为12h；

8.权利要求1或2所述的硫化物固体电解质在制备全固态锂硫电池中的应用。

9.一种全固态锂硫电池，其特征在于，包括正极和负极；

10.根据权利要求9所述的全固态锂硫电池，其特征在于，所述硫/碳复合材料、硫化物固体电解质和碳纳米管的质量比为30～70:10～30:10～40。

技术总结
本发明提供了一种硫化物固体电解质及其制备方法和应用、全固态锂硫电池，涉及全固态锂电池技术领域。硫化物固体电解质由包括以下重量份数的组分制备得到：硫化锂1.172～1.24份、氯化锂0.424份、五氧化二磷0.889～1.056份和氧化锑0.072～0.291份。本发明解决了现有技术中硫化物固体电解质与锂负极的界面反应问题，进而抑制锂枝晶形成和生长；同时，解决了硫化物固体电解质与复合正极中导电碳的氧化反应问题，避免了硫化物固体电解质的氧化分解；此外，改性后的硫化物固体电解质具有良好的空气稳定性，适合进行批量化生产；制备的硫化物固体电解质应用于全固态锂硫电池也展现出优异的性能。

技术研发人员：刘向峰,张天然,柳冲
受保护的技术使用者：中国科学院大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15