[发明专利]与固态电解质兼容稳定的包覆材料的高通量预测方法

说明书

本发明提供一种与固态电解质兼容稳定的包覆材料的高通量预测方法，采用新的高通量分析模式，有效应用于非常大的数据库，成功搜索超过67,062种材料，找到能够最好地稳定硫化物固体电解质和典型电极(阴阳极)材料之间界面的涂层材料。

技术领域

本发明属于固态电解质和固态电池领域，具体涉及一种与固态电解质兼容稳定的包覆材料的高通量预测方法。

背景技术

全固态锂离子电池是下一代储能领域最有前途的方向之一^1–3。最引人注意的是，具有不易燃特性的陶瓷固态电解质，可以解决使用高度易燃的有机液态电解液所带来的许多安全问题。此外，与液态电解液不同，固态电解质不存在低温条件下粘度增加而限制其工作的问题，这是快速发展的电动车市场所需的关键操作条件^4–6。在某些情况下，固态电解质甚至可以比液态电解液拥有更高的离子电导率^6,7。此外，与液态电解液相比，固态电解质还具有使用更高能量密度的电极材料来构造电池的潜力^8–10。例如，相对于负极，锂金属具有最低的锂化学势，故其代表了锂离子电池中可能的负极材料的理论极限。然而，锂枝晶的问题限制了锂金属及其它高容量材料在液态锂离子电池中的实际应用。而陶瓷固态电解质提供了物理抑制锂枝晶的可能性^10,11。

与液态电解液一样，固态电解质的关键性能指标是其稳定性和离子电导率。对于锂电池来说，两类非常有潜力的固态电解质分别为石榴石型氧化物^12–16和陶瓷硫化物^6,17–20。其中，这两类中具有代表性的高性能电解质分别为Li-La-Zr-O(LLZO)氧化物和Li-X-P-S(LXPS，X＝Si，Ge等)硫化物。氧化物虽然在较宽的电压范围内能够保持良好的稳定性¹⁷，但是其通常具有较低的离子电导率(1mS cm^-1)。相反，硫化物具有优异的离子电导率，最高可达25mS cm^-1 6,20，缺点是电化学稳定性差，在电池工作电压范围内会分解^17–19。

固体电解质的不稳定性可能来自固有的材料本身分解(本体分解)或与其他材料接触时的界面反应。在材料本身方面，固体电解质倾向于化学稳定(即最小的自发分解)，但在锂离子储量充足的电池单元中具有电化学反应敏感性，其可以消耗或者产生锂离子，发生还原或氧化反应。电压稳定窗口定义了锂化学势的范围，在该范围内固体电解质不会电化学分解。电压窗口的下限表示还原的开始，或锂离子和相应电子的消耗，而上限表示氧化的开始，或锂离子和电子的产生。由于外加电压贯穿整个固态电解质层，所以电压稳定窗口将影响所有固体电解质颗粒。在接触点^8,11,22处固体电解质和“涂层”材料之间发生界面反应。这些反应可以是两体化学反应，只有固体电解质和涂层材料参与反应；或是三体电化学反应，其中固体电解质，涂层材料和锂离子都参与其中。其中两体化学反应与充电程度(或电压)不相关，而三体电化学反应相关，取决于锂离子是否参与反应。

先前的研究表明，最常见的锂离子电极材料，如LiCoO₂(LCO)和LiFePO₄(LFPO)，与大多数固体电解质、特别是高性能陶瓷硫化物^21-23形成不稳定的界面。因此，在固态电池中成功使用陶瓷硫化物将需要合适的涂层材料，以减少这些界面的不稳定性。在全电压操作范围内，这些涂层材料需要兼具本身的电化学稳定性以及与陶瓷硫化物之间的界面电化学稳定性。此外，如果在不同的电池组分(如正极、负极、电解质)中使用不同的固态电解质以获得最大的材料本身稳定性，那么还必须针对不同组分改变包覆材料的选择，以保持化学稳定的界面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与固态电解质兼容稳定的包覆材料的高通量预测方法，能够最小化计算成本，高效搜索大数据量数据库并获得符合要求的潜在涂层材料(即包覆材料)。

本发明的与固态电解质兼容稳定的包覆材料的高通量预测方法，包括下述步骤：