晶界调控改性硫化物锂离子导体导电性能及机理研究

All solid state Li-based batteries are the next generation batteries with much higher energy density and safty. However, the low ionic conductivity of the electrolyte limits their pratical application. In this project, the Li-Ge-P-S system will be investigated in order to prepare new type solid state electrolytes with high ionic conductivities at room temperature. The disadvantage of grain boundaries in polycrystalline materials will be suppressed by regulation of vitrification and crystallization effect during the heat-treatment of amorphous precursors. At the same time, the composite electrolyte of the sulfide matrix with oxide ceramics will be adopted to decrease the grain boundary resistance. The experiment parameters will be strictly adjusted and optimized. The dependence of ionic conductivity in grain boundaries on microstructure, grain boundary effect, composite electrolytes and temperature will be studied in detail. And the relationship between grain boundary control and ionic conductivity will be investigated. Also the mechanism on the modification of Li-ion conducting materials and the conduction mechanism of the obtained sulfide solid state electrolyte will be revealed. The achievement in this project will provide theory and practice basis for the design, preparation, modification and application of new type solid state electrolyte materials.

固态锂基电池是解决锂电池能量密度低和安全性能差等问题的最佳途径之一，而锂离子导体低的电导率是阻碍其实用化的关键问题。本项目以Li-Ge-P-S硫化物固体电解质为研究对象，通过热处理过程中非晶粉体的玻璃化与晶化作用，辅助以复合少量异极性氧化物形成复合电解质的方法，调控硫化物固体电解质离子迁移的空隙或通道的大小，弱化骨架与迁移离子间的作用力，形成有利于离子输运的通道，降低多晶材料的晶界电阻，使晶界效应得到抑制，提高其离子晶界电导率。考察各种实验参数对硫化物固体电解质晶界电导的影响，分析材料的微观结构特征、晶界结构特性、复合电解质效应及温度与材料晶界离子电导之间的关系，获取锂离子导体中与晶界离子迁移动力学相关的信息，阐明硫化物固体电解质晶界调控与离子导电性能之间的内在联系，揭示其提高导电性能的机理与导电机制，为多晶固体电解质材料的设计、制备、改性及其在新型锂电池中的应用提供实验基础与科学依据。

发展高安全性的全固态锂电池是未来化学储能技术和电动汽车电池技术发展的方向。作为全固态锂电池核心组成部分——锂离子固体电解质材料，是实现其高性能的核心材料，也是影响其实用化的瓶颈之一。通过三年的研究工作，项目组制备了两大类性能优异的硫化物无机电解质材料，并实现了其在固态锂电池中的应用，圆满完成了项目的各项指标，取得了一系列研究成果。基于Li-P-S二元硫化物固体电解质体系，通过采用微量的Li3PO4或P2O5对70%Li2S-30%P2S5硫化物电解质进行S位掺杂，有效地提升了固体电解质材料的室温锂离子电导率，从从未掺杂的1.07×10-3 S•cm-1分别提升至1.87×10-3 S•cm-1以及2.17×10-3 S•cm-1。同时，各组分材料均具有10 V的电化学窗口。在对金属锂的稳定性方面，相对于Li3PO4掺杂，70%Li2S-29%P2S5-1%P2O5玻璃陶瓷对金属锂的稳定性更佳，适用于以金属锂为负极的长寿命固态储能电池。对于Li-Ge-P-S三元硫化物电解质体系，采用微量的GeS2对Li-P-S体系进行P位掺杂，制备得到了三元的硫化物固体电解质材料Li10GeP2S12，室温锂离子电导率可达1.15×10-2 S•cm-1，该电解质材料同样具有10 V的电化学窗口，然而对金属锂和空气的稳定性需要进一步提高。此外，将制备的固体电解质材料应用于全固态锂电池中，发现在In-Li/Li10GeP2S12或Li3.25Ge0.25P0.75S4/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2全固态电池体系中，由于Li10GeP2S12玻璃陶瓷具有较高的锂离子电导率及低的界面阻抗，采用Li10GeP2S12玻璃陶瓷所组装的全固态锂电池具有较高的倍率性能及循环稳定性。同样，在In-Li/70%Li2S-(30-x)%P2S5-x%Li3PO4/LiCoO2全固态电池体系中，相比于70%Li2S-30%P2S5电解质体系，采用电导率高的70%Li2S-29%P2S5-1%Li3PO4玻璃陶瓷所组装的全固态锂电池显示出更为优异的电化学性能。项目共发表SCI论文8篇，申请发明专利2项，形成了较好的研究基础，为高安全长寿命锂电池的实用化奠定坚实的科学、技术及工程化基础。