RU2778549C1 - Composite solid electrolyte for solid state lithium electrochemical devices - Google Patents

Composite solid electrolyte for solid state lithium electrochemical devices Download PDF

Info

Publication number
RU2778549C1
RU2778549C1 RU2021139296A RU2021139296A RU2778549C1 RU 2778549 C1 RU2778549 C1 RU 2778549C1 RU 2021139296 A RU2021139296 A RU 2021139296A RU 2021139296 A RU2021139296 A RU 2021139296A RU 2778549 C1 RU2778549 C1 RU 2778549C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lithium
electrochemical devices
solid electrolyte
composite
solid
Prior art date
Application number
RU2021139296A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Артем Сергеевич Улихин
Вячеслав Рамильевич Хуснутдинов
Николай Фавстович Уваров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2778549C1 publication Critical patent/RU2778549C1/en

Links

Abstract

FIELD: inorganic solid electrolytes.
SUBSTANCE: invention relates to the field of inorganic solid electrolytes, namely to composite solid electrolytes with high conductivity of lithium ions in the temperature range of 150-220°C for use in medium-temperature lithium rechargeable batteries, electrochemical devices and sensors. Composite solid electrolyte for solid-state lithium electrochemical devices, consisting of lithium alumotitanium phosphate Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 with a narrow particle size distribution, namely, with D50 not more than 1.5 mcm, D90 not more than 3.0 mcm, and lithium perchlorate in as an additive in the amount of 18-27 wt.%.
EFFECT: high values of conductivity with respect to lithium ions (1.3·10-3 Cm/cm at 150°C; 2.6⋅10-2 Cm/cm at 200°C) of a solid electrolyte that does not contain an inert (non-conductive) component; when it is obtained, the use of high temperatures (450-600°C) is not required for preliminary preparation of the initial components, which leads to a noticeable reduction in energy costs.
1 cl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области неорганических твердых электролитов, а именно к композиционным твердым электролитам, обладающих высокой проводимостью по ионам лития в области температур 150-220°С для использования в среднетемпературных литиевых перезаряжаемых батареях, электрохимических устройствах и сенсорах.The invention relates to the field of inorganic solid electrolytes, namely to composite solid electrolytes with high conductivity of lithium ions in the temperature range of 150-220°C for use in medium-temperature lithium rechargeable batteries, electrochemical devices and sensors.

Известны твердые электролиты, обладающие проводимостью выше 10-3 См/см в области температур 150-200°С, наиболее проводящими из которых являются твердый электролит Li8La3Zr2-0.75xAlxO12.5, где х=0.07-0.2 [1. Патент РФ, RU №2483398, Заявка 2011147462/07, Опубл. 27.05.2013 Бюл. № 15], твердый раствор состава Li2S·nSb2S3 (n=4, 5, 6), полученный при температуре синтеза 600-700°С [2. Патент РФ, RU № 2213384, Заявка №2002101338/09, Опубл. 2003.09.27], твердый электролит состава Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (0.1≤x≤0.5) [3. Патент РФ, RU 2493638, Заявка 2012133359/04, Опубл.: 20.09.2013], твердые стеклокерамические электролиты на основе Li1+x(Al,Ga)xTi2-x(PO4)3 (где 0<X<0,8) и на основе Li1+X+YMXTi2XSiYP3-YO12 (где 0 <X <= 0.4 и 0 <Y<= 0.6) в качестве основной кристаллической фазы [4. US Patent 20150014184A1]. Недостатком указанных электролитов является сложность приготовления исходных веществ и керамических изделий из них с помощью твердофазного синтеза при температуре 600-1100°С, с последующим формованием и спеканием плотных керамик при тех же температурах.Solid electrolytes are known with a conductivity above 10-3 S/cm in the temperature range of 150-200°C, the most conductive of which are the solid electrolyte Li 8 La 3 Zr 2-0.75x AlxO 12.5 , where x=0.07-0.2 [1. RF patent, RU No. 2483398, Application 2011147462/07, Publ. 05/27/2013 Bull. No. 15], a solid solution of composition Li 2 S·nSb 2 S 3 (n=4, 5, 6), obtained at a synthesis temperature of 600-700°C [2. RF patent, RU No. 2213384, Application No. 2002101338/09, Publ. 2003.09.27], solid electrolyte composition Li 1+x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (0.1≤x≤0.5) [3. Patent RF, RU 2493638, Application 2012133359/04, Published: 20.09.2013], solid glass-ceramic electrolytes based on Li 1+x (Al,Ga) x Ti 2-x (PO4) 3 (where 0<X<0, 8) and based on Li 1+X+Y M X Ti 2X Si Y P 3-Y O 12 (where 0 <X <= 0.4 and 0 <Y<= 0.6) as the main crystalline phase [4. US Patent 20150014184A1]. The disadvantage of these electrolytes is the complexity of the preparation of starting materials and ceramic products from them using solid-phase synthesis at a temperature of 600-1100°C, followed by molding and sintering of dense ceramics at the same temperatures.

Известны композитные твердые электролиты обладающие высокой ионной проводимостью по литию на основе ионных солей, содержащие дисперсные керамические компоненты Al2O3, SiO2, MgO, Li7La3Zr2O12, Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12, Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3 Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 с добавкой полимерного связующего [5. CN Patent, CN111525181A; 6. KR Patent, KR 20200050627; 7. KR patent, KR101886358B1; 8. US Patent US6132905A]. Недостатком указанных электролитов является наличие в них органических соединений, что не позволяет использовать их в среднетемпературных электрохимических устройствах.Known composite solid electrolytes with high ionic conductivity for lithium based on ionic salts containing dispersed ceramic components Al2O3, SiO2, MgO, Li7La3Zr2O12, Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12, Li1.4Al0.4Ti1.6(POfour)3 Li1.5Al0.5Ge1.5(POfour)3 with the addition of a polymer binder [5. CN Patent, CN111525181A; 6. KR Patent, KR 20200050627; 7. KR patent, KR101886358B1; 8. US Patent US6132905A]. The disadvantage of these electrolytes is the presence of organic compounds in them, which does not allow their use in medium-temperature electrochemical devices.

Результаты наших исследований показали [9. A.S. Ulihin, N.F. Uvarov, Yu.G. Mateyshina, L.I. Brezhneva, A.A. Matvienko “Composite solid electrolytes LiClO4 - Al2O3” Solid State Ionics 177 (2006) p.2787-2790], [10. A.S. Ulihin, N.F. Uvarov “Electrochemical properties of composition solid electrolytes LiClO4-MgO” Russian Journal of Electrochemistry 45 (2009), p.707-710], [11. Uvarov N.F., Bokhonov B.B., Ulihin A.S., Sharafutdinov M.R., Kirik S.D. “Composite solid electrolytes with mesoporous oxide additives” ECS Transactions 25 (2010) p.35-40], [12. Ulihin, A., Ponomareva, V., Uvarov, N., Kovalenko, K., Fedin, V. “Enhanced lithium ionic conductivity of lithium perchlorate in the metal-organic framework matrix” Ionics 26(12) (2020), p. 6167-6173] что гетерогенное допирование перхлората лития приводит росту ионной проводимости, достигая значений ~10-2 См/см в области температур 150-220°С.The results of our research showed [9. AS Ulihin, NF Uvarov, Yu.G. Mateyshina, LI Brezhneva, AA Matvienko “Composite solid electrolytes LiClO4 - Al2O3” Solid State Ionics 177 (2006) p.2787-2790], [10. AS Ulihin, NF Uvarov “Electrochemical properties of composition solid electrolytes LiClO4-MgO” Russian Journal of Electrochemistry 45 (2009), p.707-710], [11. Uvarov NF, Bokhonov BB, Ulihin AS, Sharafutdinov MR, Kirik SD “Composite solid electrolytes with mesoporous oxide additives” ECS Transactions 25 (2010) p.35-40], [12. Ulihin, A., Ponomareva, V., Uvarov, N., Kovalenko, K., Fedin, V. “Enhanced lithium ionic conductivity of lithium perchlorate in the metal-organic framework matrix” Ionics 26(12) (2020), p . 6167-6173] that heterogeneous doping of lithium perchlorate leads to an increase in ionic conductivity, reaching values of ~10 -2 S/cm in the temperature range of 150-220°C.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому электролиту является твердый композиционный электролит на основе перхлората лития, выступающего в качестве неорганической ионогенной соли лития, и содержащий добавку γ-LiAlO2 с удельной поверхностью не менее 30 м2/г в количестве от 30 до 70 об.% или оксид магния с удельной поверхностью не менее 30 м2/г в количестве 30-70 об.%. [13. Композиционный твердый электролит с проводимостью по ионам лития (варианты) / Патент РФ, RU 2358360 опубл. БИ № 16, 10.06.2009 г.] - прототип. Известный электролит характеризуется высокими стабильными значениями ионной проводимости не хуже 1⋅10-2 при Т=200°C, и высоким значением потенциала электрохимического разложения (потенциал разложения перхлората лития в композиционном твердом электролите в вакууме составляет 3.5-4 В).The closest technical solution to the proposed electrolyte is a solid composite electrolyte based on lithium perchlorate, acting as an inorganic ionic lithium salt, and containing the additive γ-LiAlO2 with a specific surface area of at least 30 m 2 /g in an amount of 30 to 70 vol.% or magnesium oxide with a specific surface area of at least 30 m 2 /g in the amount of 30-70 vol.%. [13. Composite solid electrolyte with lithium ion conductivity (options) / RF Patent, RU 2358360 publ. BI No. 16, 06/10/2009] - prototype. Known electrolyte is characterized by high stable values of ionic conductivity not worse than 1⋅10 -2 at T=200°C, and high electrochemical decomposition potential (decomposition potential of lithium perchlorate in a composite solid electrolyte in a vacuum is 3.5-4 V).

Недостатком данного композиционного твердого электролита является наличие в нем непроводящей оксидной добавки, содержание которой достигает 70 об.%. Помимо этого, перед синтезом необходим предварительный прогрев оксидной добавки (MgO) при температуре 400-450°С для дегидратации и декарбонизации.The disadvantage of this composite solid electrolyte is the presence in it of a non-conductive oxide additive, the content of which reaches 70 vol.%. In addition, prior to synthesis, it is necessary to preheat the oxide additive (MgO) at a temperature of 400-450°C for dehydration and decarbonization.

Целью заявляемого технического решения является разработка композиционного твердого электролита для твердотельных литиевых электрохимических устройств, не содержащего инертных (не проводящих) компонентов с высокой ионной проводимостью, не ниже 10-3 См/см при температуре 150°С и 10-2 См/см при температуре 200°С, получение которого не требует использования высоких температур.The purpose of the proposed technical solution is to develop a composite solid electrolyte for solid-state lithium electrochemical devices that does not contain inert (non-conductive) components with high ionic conductivity, not lower than 10 -3 S/cm at a temperature of 150°C and 10 -2 Sm/cm at a temperature 200°C, the production of which does not require the use of high temperatures.

Поставленная задача решается благодаря тому, что заявляемый композиционный твердый электролит для твердотельных литиевых электрохимических устройств с проводимостью по ионам лития, состит из Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 с узким распределением частиц по размеру: D50 не более 1.5 мкм, D90 не более 3.0 мкм и перхлората лития в качестве добавки в количестве 18-27 массовых %.The problem is solved due to the fact that the claimed composite solid electrolyte for solid-state lithium electrochemical devices with lithium ion conductivity, consists of Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 with a narrow particle size distribution: D 50 not more than 1.5 μm, D 90 not more than 3.0 microns and lithium perchlorate as an additive in the amount of 18-27 mass%.

Существенными отличительными признаками данного технического решения является использование в качестве добавки, позволяющей существенно уменьшить межзеренное сопротивление, перхлората лития, температура плавления которого составляет ~ 250°C, что позволяет получить композитный твердый электролит в составе которого отсутствует инертная (не проводящая) компонента без использования высоких температур.The essential distinguishing features of this technical solution is the use of lithium perchlorate as an additive, which can significantly reduce the intergranular resistance, the melting point of which is ~ 250°C, which makes it possible to obtain a composite solid electrolyte that does not contain an inert (non-conductive) component without the use of high temperatures .

Проведенные патентные исследования подтверждают новизну данных технических решений.The conducted patent research confirms the novelty of these technical solutions.

Свойства заявляемых композиционных твердых электролитов с проводимостью по ионам лития, а также свойства электролита по прототипу продемонстрированы в примерах, приведенных ниже.The properties of the claimed composite solid electrolytes with lithium ion conductivity, as well as the properties of the prototype electrolyte are shown in the examples below.

Пример 1 (по прототипу)Example 1 (by prototype)

Перхлорат лития, предварительно прогретый при 300°С, и MgO с удельной поверхностью 200 м2/г, предварительно прогретый при 450°С, берут в заданных соотношениях, тщательно перемешивают с добавлением этилового спирта до образования пастообразной смеси. Полученную смесь высушивают на воздухе и прокаливают при 300°С (1 час), после чего полученный нанокомпозит охлаждают в токе аргона, затем прессуют в таблетки и проводят измерения электропроводности в вакууме.Lithium perchlorate, preheated at 300°C, and MgO with a specific surface area of 200 m 2 /g, preheated at 450°C, are taken in given proportions, thoroughly mixed with the addition of ethanol until a pasty mixture is formed. The resulting mixture is dried in air and calcined at 300°C (1 hour), after which the resulting nanocomposite is cooled in an argon flow, then pressed into tablets, and electrical conductivity is measured in vacuum.

Пример 2Example 2

Алюмотитанофосфат лития Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 с узким распределением частиц по размеру (D50 не более 1.5 мкм, D90 не более 3.0 мкм) и перхлорат лития берут в расчетных соотношениях соотношениях, тщательно перемешивают с добавлением этилового спирта. Полученную смесь высушивают на воздухе и выдерживают при температуре 260-300°С. Полученный композит охлаждают в токе аргона или в вакууме, затем прессуют в таблетки и проводят измерения электропроводности в вакууме.Lithium alumotitanium phosphate Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 with a narrow particle size distribution (D 50 not more than 1.5 µm, D 90 not more than 3.0 µm) and lithium perchlorate are taken in calculated ratios, thoroughly mixed with the addition of ethyl alcohol. The resulting mixture is dried in air and maintained at a temperature of 260-300°C. The resulting composite is cooled in a stream of argon or in a vacuum, then pressed into pellets, and the electrical conductivity is measured in a vacuum.

По сравнению с прототипом, предлагаемый композитный твердый электролит обладает высокими значениями проводимости по ионам лития (1.3⋅10-3 См/см при 150°С; 2.6⋅10-2 См/см при 200°С) и при этом не содержит инертной (не проводящей) компоненты. При получении предлагаемого композитного твердого электролита не требуется предварительный прогрев исходных компонентов при высоких температурах (450-600°С) для дегидратации, что приводит к заметному снижению энергозатрат.Compared with the prototype, the proposed composite solid electrolyte has high values of conductivity for lithium ions (1.3⋅10 -3 S/cm at 150°C; 2.6⋅10 -2 S/cm at 200°C) and does not contain inert ( non-conductive) components. Upon receipt of the proposed composite solid electrolyte does not require preheating of the original components at high temperatures (450-600°C) for dehydration, which leads to a significant reduction in energy costs.

Claims (1)

Композитный твердый электролит для твердотельных литиевых электрохимических устройств, состоящий из алюмотитанофосфата лития Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 с узким распределением частиц по размеру, а именно с D50 не более 1.5 мкм, D90 не более 3.0 мкм, и включающий в себя перхлорат лития в качестве добавки в количестве 18-27 мас.%.Composite solid electrolyte for solid-state lithium electrochemical devices, consisting of lithium aluminum titanium phosphate Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 with a narrow particle size distribution, namely with D 50 not more than 1.5 µm, D 90 not more than 3.0 µm, and including including lithium perchlorate as an additive in the amount of 18-27 wt.%.
RU2021139296A 2021-12-28 Composite solid electrolyte for solid state lithium electrochemical devices RU2778549C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778549C1 true RU2778549C1 (en) 2022-08-22

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117059919A (en) * 2023-08-04 2023-11-14 江苏大学 LATP solid electrolyte and preparation method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6132905A (en) * 1997-08-21 2000-10-17 The University Of Dayton Solid composite electrolytes for lithium batteries
RU2358360C1 (en) * 2007-11-13 2009-06-10 Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН) Composite solid electrolyte with lithium ion conductivity (versions)
RU2483398C1 (en) * 2011-11-22 2013-05-27 Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН Solid electrolyte with lithium-ion conductivity
KR20200050627A (en) * 2018-11-02 2020-05-12 한국에너지기술연구원 Composite Electrode Including Gel-Type Polymer Electrolyte for All-Solid-State Battery, Method Of Manufacturing The Same, And All-Solid-State Lithium Battery Comprising The Same
CN111525181A (en) * 2020-05-08 2020-08-11 上海空间电源研究所 All-solid-state battery with low interface resistance and preparation method thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6132905A (en) * 1997-08-21 2000-10-17 The University Of Dayton Solid composite electrolytes for lithium batteries
RU2358360C1 (en) * 2007-11-13 2009-06-10 Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН) Composite solid electrolyte with lithium ion conductivity (versions)
RU2483398C1 (en) * 2011-11-22 2013-05-27 Учреждение Российской академии наук Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН Solid electrolyte with lithium-ion conductivity
KR20200050627A (en) * 2018-11-02 2020-05-12 한국에너지기술연구원 Composite Electrode Including Gel-Type Polymer Electrolyte for All-Solid-State Battery, Method Of Manufacturing The Same, And All-Solid-State Lithium Battery Comprising The Same
CN111525181A (en) * 2020-05-08 2020-08-11 上海空间电源研究所 All-solid-state battery with low interface resistance and preparation method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117059919A (en) * 2023-08-04 2023-11-14 江苏大学 LATP solid electrolyte and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. A ceramic/polymer composite solid electrolyte for sodium batteries
CN104124467B (en) A kind of method utilizing lithium lanthanum zirconium oxygen presoma coated powder to prepare solid electrolyte
ES2779406T3 (en) Solid body electrolyte for Li batteries, as well as a process for its production
TWI559599B (en) Reactive sintering of ceramic lithium-ion solid electrolytes
ES2371050T3 (en) LITHIUM-IRON PHOSPHATE THAT HAS AN OXYGEN VACANT AND IS DOPED IN THE POSITION OF THE FAITH AND QUICK SYNTHEIZATION PROCEDURE IN A SOLID PHASE FOR THE SAME.
CN105609881A (en) Inorganic solid-state electrolyte material and preparation method therefor
WO2015002410A1 (en) Solid electrolyte for all solid-state lithium-ion battery and manufacturing method therefor
CN106299468B (en) A kind of solid electrolyte and preparation method thereof, lithium ion battery
Wang et al. Low temperature-densified NASICON-based ceramics promoted by Na2O-Nb2O5-P2O5 glass additive and spark plasma sintering
WO2019102762A1 (en) Negative electrode material, negative electrode and battery
CN110862259A (en) High-conductivity solid electrolyte prepared by coprecipitation method
CN107666010A (en) A kind of lithium ion battery solid electrolyte, its preparation method and lithium ion battery
KR102224126B1 (en) Synthesis Process of Ceramic Solid Electrolyte for Lithium Secondary Batteries
JP3687038B2 (en) Proton conducting gel, proton conductor, and production method thereof
Ni et al. A fluorophosphate glass–ceramic electrolyte with superior ionic conductivity and stability for Na-ion batteries
Cao et al. Localization of electrons within interlayer stabilizes NASICON-type solid-state electrolyte
JP7167736B2 (en) Method for producing sulfide-based solid electrolyte particles
CN113161523A (en) Non-stoichiometric lithium manganese iron phosphate cathode material and preparation method and application thereof
Lu et al. Increased ionic conductivity of a NASICON lithium ion conductor under the influence of mesoporous materials
CN102024944A (en) Method used for preparing anode material lithium titanate of lithium ion secondary battery
CN101764227A (en) Lithium ferrosilicon silicate/carbon composite cathode material and preparation method thereof
RU2778549C1 (en) Composite solid electrolyte for solid state lithium electrochemical devices
RU2558140C1 (en) LiCrTiO4-BASED MATERIAL OF ANODE IN LITHIUM-ION BATTERY BASED ON SPINEL-STRUCTURE AND METHOD OF ITS PRODUCTION
Jodi et al. A Study of the Structural and Electrochemical Properties of Li3PO4-MMT-PVDF Composites for Solid Electrolytes
CN111276734A (en) Solid electrolyte conducting potassium ions, preparation method and potassium solid battery