丰桥技术科学大学开发新型硫化物固态电解质大规模制造技术

据外媒报道，在丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）电气和电子信息工程系的博士生项目中，研究人员开发了一种可大规模制造Li7P3S11固态电解质的技术。这种电解质可用于全固态锂离子蓄电池。

（图片来源：丰桥技术科学大学）

这种方法将过量的硫，以及Li7P3S11的起始材料Li2S和P2S5，一起添加到含有乙腈（ACN）、四氢呋喃（THF）和少量乙醇（EtOH）的混合溶剂中。这有助于将反应时间从24小时（甚至更长）缩短至2分钟。通过这种方法获得最终产品，即没有杂质相的高纯度Li7P3S11，在25°C下其离子导电性高达1.2 mS cm-1。这有助于大量生产低成本硫固态电解质，以用于全固态电池。

细节

全固态电池因非常安全，可以实现向高能量密度和高输出功率的过渡，有望成为电动汽车的下一代电池。硫固态电解质表现出良好的离子导电性和可塑性，在电动汽车全固态电池中的应用前景广阔。然而，目前还没有相关的大规模商用制造技术，因为硫化物固态电解质在大气中不稳定，其合成和加工过程需要控制大气状态。因此，迫切需要开发低成本、高可扩展性的硫化物固态电解质的液相制造技术。

Li7P3S11固态电解质表现出高离子导电性，是全固态电池的电解质之一。通常在乙腈（ACN）反应溶剂中，通过前体（包括不溶性化合物在内）液相合成Li7P3S11。这样的常规反应过程需要很长时间，因为从不溶性的起始物质到不溶性的中间产物，要经过一个动力学上不利的反应。更糟糕的是，由于复杂的相形成，不溶性中间体可能产生不均匀性，从而增加大规模制造成本。

在此背景下，研究小组致力于开发一种通过均匀前体溶液液相生产高离子导电Li7P3S11固态电解质的技术。结果表明，通过最近开发的方法，在含有ACN、THF和少量乙醇的混合溶剂中，加入Li7P3S11的起始原料Li2S和P2S5，以及过量的S，可以在短短2分钟内获得含有可溶性多硫化锂（Li2Sx）的均匀前体溶液。该方法快速合成的关键是加入少量EtOH或过量的硫生成多硫化锂。

为了阐明该方法的反应机理，研究人员采用紫外可见光谱，探讨Li2Sx添加EtOH和不添加EtOH时的化学稳定性。研究表明，当存在EtOH时，Li2Sx的化学稳定性更高。因此，该方法采取以下反应步骤。首先，锂离子与EtOH强配位，EtOH是一种高极性溶剂。接下来，多硫化物离子对锂离子的屏蔽可以稳定高活性S3･-自由基阴离子，这是一种多硫化合物。所生成的S3･-攻击P2S5，打破P2S5的笼形结构，从而促进反应进展。反应生成的硫代磷酸锂，溶解在含有ACN和THF溶剂的高溶解性混合溶剂中，可能有助于迅速获得均匀的前体溶液。在反应过程中，可以在2小时内获得最终产物Li7P3S11，无需球磨或高能处理。

通过该方法合成的Li7P3S11在25℃下的离子电导率为1.2 mS cm-1，高于传统液相法（0.8 mS cm-1）或球磨法（1.0 mS cm-1）合成的Li7P3S11。这为合成硫化物固态电解质提供了一条新途径，以实现大规模、低成本的制造技术。

未来展望

该研究团队认为，此项研究提出的低成本技术，可用于大规模生产全固态电池用硫化物固态电解质。对于搭载全固态电池的电动汽车来说，这对其实现商业化具有重要意义。除了探讨Li7P3S11作为硫化物固态电解质的应用，研究人员希望，将这一技术应用于合成Li7P3S11以外的硫化物固态电解质。