作为锂超离子导体的钽酸锂钾化合物、固体电解质以及用于锂金属电池和锂离子电池的涂层

联合研究协议各方的名称

本文的公开内容是根据丰田汽车工程和制造北美有限公司(TOYOTA MOTORENGINEERING&MANUFACTURING NORTH AMERICA,INC.)(地址为75024，德克萨斯州普莱诺市W1-3C总部大道6565号(6565Headquarters Drive W1-3C,Plano,Texas,75024))和马里兰大学帕克分校(地址为20742，马里兰州大学公园市摄政大道7999号米歇尔大厦2130号(2130Mitchell Bldg.7999Regents Dr.College Park,Maryland,20742))之间的联合研究协议进行的联合研究工作的结果。

技术领域

本公开涉及可用作锂超离子导体的新型钽酸锂钾化合物、含有所述新型钽酸锂钾化合物的固体电解质以及用于含有所述新型钽酸锂钾化合物的锂金属电池和锂离子电池的电极涂层。

背景技术

传统上，锂离子电池主导着便携式电子设备市场。然而，传统的锂离子电池含有易燃的有机溶剂作为电解质的组分，并且这种易燃性是所顾虑的安全风险的基础，并且可能限制或阻止锂离子电池用于大规模能量存储中的应用。

用固体锂导电相代替易燃的有机液体电解质将减轻这一安全问题，并且可提供额外的优点，诸如改善的机械和热稳定性。固体锂导电相(通常称为固体锂离子导体或固态电解质)的主要功能是在放电期间将Li

此外，已知由非水电解质构成的锂电池在重复的放电和充电循环中会形成从阳极向阴极突出的树枝状锂金属结构。如果并且当这种枝晶结构突出到阴极并且短路时，电池能量被迅速释放并且可能引发有机溶剂的点燃。

因此，人们对新的固体锂离子导电材料的发现很感兴趣，并作出很大努力，从而将产生全固态锂电池。过去几十年的研究主要集中在离子导电氧化物上，诸如例如LISICON(Li

虽然最近的发展已经将固体锂离子导体的导电性标记至1mS/cm至10mS/cm的水平，这与液相电解质中的导电性相当，但对于找到新的锂离子固态导体具有极大的兴趣。

有效的锂离子固态导体在室温下将具有高的Li

Li/Li+的标准氧化还原电位为-3.04V，这使锂金属成为可用的最强还原剂之一。因此，Li金属可将大多数已知的阳离子物质还原到较低的氧化态。由于当阳极的锂金属接触含有不同于锂离子的阳离子组分的固态Li

例如，下式的导体：

Li

在式中含有P

Li

P+3Li→Li

类似地，还据报道，Li

Li

P+3Li→Li

4Li

Li

在另一个示例中，含有二次阳离子La

6Li

Zr

La

因此，许多目前传统已知的固体锂离子导体在与Li金属阳极接触时存在稳定性问题。

本申请的发明人一直在研究可用于固态Li+导体的未来用途的锂化合物，并且本研究的先前结果公开在以下申请中：2017年6月19日提交的美国申请第15/626,696号、2017年11月7日提交的美国第15/805,672号、2018年6月20日提交的美国申请第16/013,495号、2018年8月28日提交的美国申请第16/114,946号、2018年9月26日提交的美国申请第16/142,217号、2018年9月27日提交的美国申请第16/144,157号、2018年10月10日提交的美国申请第16/153,335号、2018年10月9日提交的美国申请第16/155,349号和2019年1月31日提交的美国申请第16/264,294号。然而，研究工作继续发现具有最高效率、高稳定性、低成本和易于搬运和制造的附加材料。

因此，本申请的目的是识别一系列具有高锂离子导电性同时又是不良电子导体的其他材料，其适合作为用于锂离子电池的固态电解质和/或适合作为电极活性材料的保护涂层或组分。

本申请的另一个目的是提供一种包含含有所述材料的固态锂离子电解质膜和/或电极的固态锂离子电池和/或锂金属电池。

发明内容

本申请的实施例提供这些和其他目的，本申请的第一实施例包括一种固态锂离子电解质，所述固态锂离子电解质包含：选自由式(I)、(II)、(III)和(IV)的化合物组成的材料群组中的至少一种材料：

Li

其中x1是大于0至小于6的数，y是使得获得所述式的电荷中性的值，并且M1是选自1、2、13族元素和过渡金属中的与Li不同的至少一种元素；

Li

其中x2是大于0至小于1的数，y是使得获得复合式的电荷中性的值，并且M2是选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13族元素中的与K不同的至少一种元素；

Li

其中x3是大于0至小于1的数，y是使得获得所述式的电荷中性的值，并且M3是选自1-13族元素中的与Ta不同的至少一种元素；和

Li

在第一实施例的方面中，式(I)至(IV)的所述固态锂离子电解质的锂离子(Li

在第一实施例的另一方面中，式(I)至(IV)的化合物的活化能为0.12eV至0.45eV。

在第二实施例中，包括一种固态锂电池。所述固态锂电池包含：阳极；阴极；和位于所述阳极与所述阴极之间的固态锂离子电解质；其中所述固态锂离子电解质包含根据第一实施例和第二实施例及其方面的至少一种材料。

在第三实施例的特殊方面中，所述固态锂电池可为锂金属电池或锂离子电池。

在第三实施例中，提供一种电极，所述电极具有集流体、电极活性材料和如前面实施例及其方面所述的根据式(I)至(IV)中的任一者的材料的涂层。

在第四实施例中，提供一种电极，所述电极具有集流体、包含电极活性材料的活性层和如前面实施例及其方面所述的根据式(I)至(IV)中的任一者的材料。

在第五实施例中，包括一种含有前面实施例的固态电解质和/或电极中的任一者的锂电池。

前面的说明旨在提供对本公开的一般介绍和总结，并且除非另外明确说明，否则不旨在限制其公开内容。通过结合附图参考以下详细说明，将最佳理解当前优选的实施例以及进一步的优点。

附图说明

图1示出了Li

图2示出了基于波长为

图3示出了列出图2的XRD分析的主峰和相对强度的表格。

图4示出了来自AIMD模拟的Li

图5示出了来自AIMD模拟的Li

图6示出了来自AIMD模拟的Li

图7示出了示出了来自AIMD模拟的Li

图8示出了示出了来自AIMD模拟的Li

图9示出了示出了来自AIMD模拟的Li

图10示出了示出了来自AIMD模拟的Li

图11示出了来自AIMD模拟的Li

图12示出了来自AIMD模拟的Li

图13示出了来自AIMD模拟的Li

图14示出了来自AIMD模拟的Li

图15示出了来自AIMD模拟的Li

图16示出了来自AIMD模拟的Li

图17示出了来自AIMD模拟的Li

图18示出了来自AIMD模拟的Li

图19示出了来自AIMD模拟的Li

具体实施方式

在本说明通篇中，除非本说明的上下文清楚地区分电化学电池和电池，否则术语“电化学电池”和“电池”可互换使用。此外，除非另有明确说明，否则术语“固态电解质”和“固态离子导体”可互换使用。

在所提供的化学式中，术语“小于”指示小于所述数值的全部值。因此，“小于”可意指最高为所表达数值的0.9的值。例如，如果指示的数值是3，则小于3的数值可为2.7。术语大于0可意指存在正的量，这种量可小至0.01。

Ceder等人(Nature Materials，14，2015，1026-1031)已经针对已知的Li

本发明人正在进行新的锂复合化合物的研究，以识别具有可在固态锂电池中用作固态电解质的性质的材料。在这一正在进行的研究和努力的过程中，本发明人已经开发并实施了一种方法来识别具有化学和结构性质的复合材料，这些性质已经被本发明人确定为适于作为用于锂离子电池的固态电解质的锂离子电导的指标。

为在实际应用中获得固态电解质的资格，所述材料必须满足几个特定的准则。首先，其应该表现出期望的锂离子导电性，在室温下通常不低于10

这种方法的准则要求，为取得在实际应用中作为固态电解质的资格，所述材料必须表现出期望的锂离子导电性，通常在室温下不低于10

根据方程式(I)确定了300K下的扩散率

D＝D

其中D

σ＝D

其中ρ是锂离子的体积密度，并且e是单位电荷。

锂离子导体的阴离子晶格已被示出与某些晶格类型相匹配(参见NatureMaterials,14,2015,2016)。因此，在潜在的Li

因此，将所选钽酸锂钾化合物与无机晶体结构数据库(FIZ Karlsruhe ICSD–https://icsd.fiz-karlsruhe.de)中报告的含锂化合物进行比较，并且根据本发明人为此目的开发并且在2017年5月17日提交的共同未决的美国申请第15/597,651号中所描述的阴离子晶格匹配方法进行比较评价，以将这些化合物的晶格与已知的锂离子导体进行匹配。

根据在共同未决的美国申请第15/597,651号中描述的阴离子晶格匹配方法，用于化合物晶格结构的原子坐标集可被转换为仅用于阴离子晶格的坐标集。晶格的阴离子被比较材料的阴离子取代，并且所获得的晶胞被重新标度(rescale)。可模拟修改的仅阴离子晶格的X射线衍射数据，并根据模拟的衍射数据产生n×2矩阵。定量结构相似性值可从n×2矩阵中导出。

阴离子晶格匹配的目的是进一步识别最有可能表现出高Li

然后应用从头计算分子动力学(AIMD)模拟来预测目标钽酸锂钾的导电性。初始结构被静态松弛，并被设定为100K的初始温度。然后，通过在2ps的时间段内进行速度标度，以恒定的速率将结构加热至目标温度(750K至1150K)。AIMD模拟的总时间在200ps至400ps的范围内。在750K至1150K的不同温度下，Li

在研究特定的锂混合氧化物材料的过程中，本发明人已经确定出基于Li

适用于异价取代的元素可通过由Hautier等人(Inorg.Chem.2011,50,656-663)描述的方法确定的离子取代概率来选择，其中候选掺杂剂可通过离子取代概率模型来选择，所述模型是基于所有已知无机晶体材料的数据挖掘而构建的。包括可能会在特定材料中产生空位或空隙的掺杂剂。在相稳定性计算期间，具有不太有利的掺杂剂的结构将被筛选和排除。子晶格、掺杂剂和空位或空隙的构型通过本文描述的计算方法来确定。例如，在以下报告中描述了这些方法：

Bai等人，ACS Appl.Energy Mater.2018,1,1626-1634；和

He等人，Phys.Chem.Chem.Phys.,2015.17,18035。

确定了在高于300K下的扩散率的应用方程式(I)，并且然后可利用方程式(II)的导电性与扩散率之间的联系来确定导电性。表1示出了针对研究的一系列化合物确定的活化能和室温导电性。图4至图19示出了针对这些材料中的每一种，Li

表1.通过AIMD模拟得到的掺杂Li

因此，在一个实施例中，本公开提供一种固态锂离子电解质，所述固态锂离子电解质包含：选自由式(I)、(II)、(III)和(IV)的化合物组成的材料群组中的至少一种材料：

Li

其中x1是大于0至小于6的数，y是使得获得所述式的电荷中性的值，并且M1是选自1、2、13族元素和过渡金属中的与Li不同的至少一种元素；

Li

其中x2是大于0至小于1的数，y是使得获得复合式的电荷中性的值，并且M2是选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13族元素中的与K不同的至少一种元素；

Li

其中x3是大于0至小于1的数，y是使得获得所述式的电荷中性的值，并且M3是选自1-13族元素中的与Ta不同的至少一种元素。

式(I)至(III)的化合物是式(IV)的化合物的掺杂材料：

Li

其中如上所述，Li、K和Ta中的至少一者被异价置换。Li

本发明人已获悉，根据式(I)至(III)的所得掺杂材料保留碱基化合物(IV)的晶体结构，并且具有与式(IV)的碱基化合物相关的活化能和导电性。基于上述测量方法，式(I)、(II)和(III)的复合材料的锂离子(Li

上述实施例的复合材料的合成可通过化学计量的所选前体材料之间的固态反应来实现。固态合成的示例性方法描述在例如以下论文中的每一者中：i)Monatshefte fürChemie,100,295-303,1969；ii)Journal of Solid State Chemistry,128,1997,241；iii)Zeitschrift für Naturforschung B,50,1995,1061；iv)Journal of Solid StateChemistry 130,1997,90；v)Journal of Alloys and Compounds,645,2015,S174；和vi)Z.Naturforsch.51b,199652 5。Weppner等人(US8092941)描述了具体的钽酸盐化合物合成。对根据本文公开的实施例的制备复合化合物的这些方法的改编完全在本领域中的一般技术人员的能力范围内。

在进一步的实施例中，本申请包括含有上述固态电解质的固态锂离子电池。包括金属-金属固态电池的这些实施例的固态电池可具有比经典电池更高的充电/放电速率能力和更高的功率密度，并且可具有提供高功率和能量密度的潜力。

因此，在进一步的实施例中，提供固态电池，所述固态电池包含：阳极；阴极；和位于阳极与阴极之间的根据上述实施例的固态锂离子电解质。

阳极可为传统上用于锂离子电池中的任何阳极结构。通常这种材料能够插入和提取Li

阴极结构可为传统上用于锂离子电池中的任一者，包括但不限于复合锂金属氧化物，诸如(例如)锂钴氧化物(LiCoO

在一个方面中，活性阴极材料可为过渡金属，优选为银或铜。基于这种过渡金属的阴极可不包括集流体。

在另一组实施例中，还公开了含有式(I)至(IV)的固体电解质材料的电极。因此，在制备电极时，如上所述的活性材料可在涂布至集流体之前与固体电解质材料物理混合，或者固体电解质材料可作为涂层涂布在所涂布的活性材料上。在任一实施例中，在电极结构上或电极结构内存在锂离子超导体可增强电极的性能，并且尤其是当用作涂层时，可用来保护传统的固态电解质。

因此，本公开的实施例包括阴极，所述阴极包含集流体和涂布至集流体的阴极活性材料层，其中存在以下组分中的至少一种：i)涂布至集流体的阴极活性材料是含有如上所述的式(I)至(IV)的固体电解质材料中的至少一者的物理混合物；和ii)涂布至集流体的阴极活性材料层涂覆有包含式(I)至(IV)的固体电解质材料中的至少一者的层。具有元素i)和ii)两者的阴极也包括在本公开中。

在相关实施例中，本公开包括阳极，所述阳极包含集流体和涂布至集流体的阳极活性材料层，其中存在以下组分中的至少一种：i)涂布至集流体的阳极活性材料是含有如上所述的式(I)至(IV)的固体电解质材料中的至少一者的物理混合物；和ii)涂布至集流体的阳极活性材料层涂覆有包含式(I)至(IV)的固体电解质材料中的至少一者的层。

含有如上述实施例中描述的阴极、上述实施例中描述的阳极或含有根据上述实施例的阳极和阴极两者的电池也是本公开的实施例。

提出以上说明是为了使本领域中的技术人员能够制造和使用本发明，并且是在特定应用及其要求的上下文中提供的。对优选实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文定义的一般原理可应用于其他实施例和应用。因此，本发明不旨在受限于所示实施例，而是符合与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。就此来说，从广义上考虑，本发明内的某些实施例可能没有显示出本发明的每一有益效果。