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DE102023004901A1 - Sulfide-based solid electrolyte, its production and use, and solid-state battery cell containing it - Google Patents

Sulfide-based solid electrolyte, its production and use, and solid-state battery cell containing it Download PDF

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DE102023004901A1
DE102023004901A1 DE102023004901.8A DE102023004901A DE102023004901A1 DE 102023004901 A1 DE102023004901 A1 DE 102023004901A1 DE 102023004901 A DE102023004901 A DE 102023004901A DE 102023004901 A1 DE102023004901 A1 DE 102023004901A1
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Mahir Ünal
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Mercedes Benz Group AG
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Mercedes Benz Group AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis, umfassend oder bestehend aus der allgemeinen chemischen Formel (I): Li6M1aM2bS5X1xX2y Formel (I), wobei M1 ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus P und Sb; M2 ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Si, Sn und W; a = 1,0 und 0,1 ≤ b ≤ 1,0; X1 und X2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Cl, Br und I; wobei gilt: x + y = 2 und X1 ≠ X2. Der Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis zeichnet sich durch eine hohe elektrochemische Leistungsfähigkeit, wie hohe ionische Leitfähigkeit und (elektro-)chemische Stabilität aus. Der erfindungsgemäße Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis ist in einem zweistufigen Mahlverfahren ohne Heizschritt und in kürzerer Dauer als die bekannten kristallinen Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis herstellbar, wodurch der Zeit-, Energie- und Kostenaufwand bei der Herstellung deutlich reduziert werden kann.The invention relates to a sulfide-based solid electrolyte comprising or consisting of the general chemical formula (I): Li 6 M1 a M2 b S 5 X1 x X2y Formula (I), where M1 is selected from the group consisting of P and Sb; M2 is selected from the group consisting of Si, Sn and W; a = 1.0 and 0.1 ≤ b ≤ 1.0; X1 and X2 are each independently selected from the group consisting of Cl, Br and I; where: x + y = 2 and X1 ≠ X2. The sulfide-based solid electrolyte is characterized by high electrochemical performance, such as high ionic conductivity and (electro-)chemical stability. The sulfide-based solid electrolyte according to the invention can be produced in a two-stage milling process without a heating step and in a shorter time than the known crystalline sulfide-based solid electrolytes, whereby the time, energy and cost required for production can be significantly reduced.

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis, dessen Herstellung und Verwendung sowie eine Festkörperbatteriezelle, enthaltend diesen.The invention relates to a sulfide-based solid electrolyte, its production and use, and a solid-state battery cell containing it.

In der Batterie-Technologie haben sich in den letzten Jahren die auf Lithiumionen basierenden Batteriesysteme zunehmend durchgesetzt. Diese zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Energiedichte und zu erwartende lange Haltbarkeit aus, so dass effizientere Batteriekonfigurationen möglich werden. Das hohe chemische Reaktionsvermögen und die geringe Masse der Lithiumionen sowie deren hohe Beweglichkeit spielen hierbei eine zentrale Rolle. Bei Festkörperbatterien bestehen beide Elektroden und der Elektrolyt aus festem Material. In Lithiumionen-Batterien liegen in allen drei Phasen der elektrochemischen Zelle Lithium-Verbindungen vor, d.h. die negative Elektrode, die positive Elektrode sowie der Elektrolyt enthalten Lithiumionen von Festkörper-Lithiumionenleitern. Der generelle Vorteil von Lithium-basierten Festkörperbatterien ist dabei, dass ein Flüssigelektrolyt, der häufig leicht entzündlich oder giftig ist und zu Zersetzung neigt, ersetzt und damit eine Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Lithium-basierten Batterien möglich wird.In battery technology, lithium-ion-based battery systems have become increasingly popular in recent years. These systems are characterized in particular by their high energy density and expected long service life, enabling more efficient battery configurations. The high chemical reactivity and low mass of lithium ions, as well as their high mobility, play a key role in this. In solid-state batteries, both electrodes and the electrolyte are made of solid material. In lithium-ion batteries, lithium compounds are present in all three phases of the electrochemical cell, i.e., the negative electrode, the positive electrode, and the electrolyte contain lithium ions from solid-state lithium ion conductors. The general advantage of lithium-based solid-state batteries is that they replace a liquid electrolyte, which is often highly flammable or toxic and prone to decomposition, thus improving the safety and reliability of lithium-based batteries.

Insbesondere für elektrische Fahrzeuge ist die Entwicklung von Lithium-basierten Festkörperbatterien mit hoher Leistungsabgabe, hoher Kapazität und guter (elektro-)chemischer Stabilität von großem Interesse. Für eine hohe Batterieleistung ist generell ein Festkörperelektrolytmaterial mit guter Ionenleitfähigkeit im Hinblick auf das Erzielen einer möglichst hohen Leistungsabgabe einer Batterie wünschenswert.The development of lithium-based solid-state batteries with high power output, high capacity, and good (electro)chemical stability is of great interest, especially for electric vehicles. For high battery performance, a solid-state electrolyte material with good ionic conductivity is generally desirable to achieve the highest possible battery power output.

Ein Problem bei der Herstellung von bekannten sulfidischen Festkörperelektrolyten mit kristalliner Struktur für Festkörperbatterien ist, dass das Verfahren zeit-, energieintensiv und kostenaufwändig ist. Dies spielt insbesondere im Zusammenhang mit dem Hochskalieren von sulfidischen Festkörperelektrolyten eine große Rolle, d.h. im Hinblick auf die Tauglichkeit in der Massenproduktion.One problem with the production of known sulfide solid-state electrolytes with a crystalline structure for solid-state batteries is that the process is time-consuming, energy-intensive, and costly. This is particularly important in the context of scaling up sulfide solid-state electrolytes, i.e., with regard to suitability for mass production.

So werden herkömmliche sulfidische Festkörperelektrolyte für Festkörperbatterien über eine sogenannte Festkörpersynthese hergestellt, die aus zwei Schritten besteht:

  1. 1. Die Ausgangsstoffe werden in einer Kugelmühle vermahlen, um ein homogenes Pulvergemisch zu erhalten, wobei das Pulver amorphe Morphologie aufweist.
  2. 2. Das erhaltene Pulver wird für 20 Stunden und mehr unter Vakuum oder Argon auf etwa 550 °C erhitzt. Durch das Erhitzen wird ein Pulver mit kristalliner Morphologie erhalten, wobei der Kristallisationsgrad im Allgemeinen mit steigender Heiztemperatur und längerer Dauer des Heizschrittes erhöht werden kann.
Conventional sulfide solid-state electrolytes for solid-state batteries are produced via a so-called solid-state synthesis, which consists of two steps:
  1. 1. The starting materials are ground in a ball mill to obtain a homogeneous powder mixture, the powder having an amorphous morphology.
  2. 2. The resulting powder is heated to approximately 550 °C for 20 hours or more under vacuum or argon. Heating produces a powder with a crystalline morphology, with the degree of crystallization generally increasing with increasing heating temperature and longer heating time.

Die Nachteile dieser herkömmlichen Festkörpersynthese, um kristalline oder auch glaskeramische sulfidische Festkörperelektrolyte zu erhalten, sind daher die hohen Temperaturen, die lange Dauer, der hohe Energieverbrauch und die hohen Kosten. Diese Nachteile müssen aber in Kauf genommen werden, um die gewünschte Materialeigenschaften zu erhalten.The disadvantages of this conventional solid-state synthesis for obtaining crystalline or glass-ceramic sulfide solid-state electrolytes are the high temperatures, the long processing time, the high energy consumption, and the high costs. However, these disadvantages must be accepted in order to obtain the desired material properties.

Repräsentativ für die herkömmliche Festkörpersynthese, um kristalline, sulfidische Festelektrolyte herzustellen, wird beispielweise auf Thorben Krauskopf et al.(1) verwiesen, wo die Ausgangsmischung zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten bei 400 U/min für 48 Stunden kugelgemahlen, und dann gepresst als Pellet unter Vakuum auf 773 K (499,85 °C) erhitzt und 20 Stunden geglüht wird.Representative of the conventional solid-state synthesis to produce crystalline, sulfidic solid electrolytes, reference is made, for example, to Thorben Krauskopf et al. (1) , where the starting mixture for the preparation of a solid electrolyte is ball-milled at 400 rpm for 48 hours, and then pressed as a pellet under vacuum, heated to 773 K (499.85 °C) and annealed for 20 hours.

Gemäß Laidong Zhou et al.(2) wird zwar kein übliches Kugelmühlen-Verfahren eingesetzt, jedoch sind auch hier eine hohe Temperatur und eine lange Dauer notwendig, um den Festkörperelektrolyt herzustellen. So werden die Ausgangsmaterialien als Mischungen zur Herstellung von Li6+xSixSb1-xS5l im Vakuum für 7 Tage auf 550 °C (0,5 ≤ x ≤ 0,7) oder 500 °C (0,1 ≤ x ≤ 0,4), jeweils mit einer Rampenrate von 5 °C/min, erhitzt. Zur Herstellung von Li6SbxP1-xS5l wird auf 550 °C (0,1 ≤ x ≤ 0,4) oder 500 °C (0,5 ≤ x ≤ 1) für 100 h mit einer Rampenrate von 5 °C/min erhitzt und zur Herstellung von Li6+xGexSb1-xS5I wird 50 Stunden mit der gleichen Rampenrate auf 550 °C erhitzt.According to Laidong Zhou et al. (2) , although a conventional ball milling process is not used, high temperatures and a long time are still required to prepare the solid-state electrolyte. Thus, the starting materials are heated as mixtures to prepare Li 6+x Si x Sb 1-x S 5 l in vacuum for 7 days at 550 °C (0.5 ≤ x ≤ 0.7) or 500 °C (0.1 ≤ x ≤ 0.4), each at a ramp rate of 5 °C/min. To produce Li 6 Sb x P 1-x S 5 l, heating is carried out at 550 °C (0.1 ≤ x ≤ 0.4) or 500 °C (0.5 ≤ x ≤ 1) for 100 h at a ramp rate of 5 °C/min, and to produce Li 6+x Ge x Sb 1-x S 5 I, heating is carried out at 550 °C for 50 h at the same ramp rate.

Weiterhin beschreibt Subin Song et al.(3) Festkörperelektrolyte vom Li10GeP2S12-Typ. Zu deren Herstellung werden die Ausgangsstoffe Li2S, P2S5, LiBr und LiI in den vorgesehenen molaren Verhältnissen eingewogen und durch Planeten-Kugelmahlen für 40 h gemahlen und anschließend als Pellets in einem Quarzrohr bei 5 Pa verschlossen und in einem Ofen im Temperaturbereich von 463 - 493 K (189,85 °C - 219,85 °C) für 4 h erhitzt. Beispielweise werden hier die Festkörperelektrolyte Li10P3S12Br und Li10.25P3S12.25I0.75 beschrieben.Subin Song et al. (3) further describe solid-state electrolytes of the Li 10 GeP 2 S 12 type. For their preparation, the starting materials Li 2 S, P 2 S 5 , LiBr, and LiI are weighed in the specified molar ratios and milled by planetary ball milling for 40 h. The pellets are then sealed in a quartz tube at 5 Pa and heated in a furnace in the temperature range of 463–493 K (189.85 °C–219.85 °C) for 4 h. Examples of solid-state electrolytes described here are Li 10 P 3 S 12 Br and Li 10.25 P 3 S 12.25 I 0.75 .

Es gibt auch Ansätze im Stand der Technik, die Herstellungsbedingungen zu verbessern:

  • So offenbart beispielsweise Tomoyuki Tsujimura et al.(4) die Verbindungen (1-x)LiCl-xLiBr-2Li3PS4 (x = 0, 0,25, 0,50, 0,75 und 1,0), die durch hochenergetisches Kugelmahlen hergestellt werden, wobei für 16,5 h unter Argon gemahlen und in einem Ofen bei verschiedenen Wärmebehandlungstemperaturen für 12 h unter Vakuum kristallisiert wird. Beispielsweise werden so Li7P2S8I, Li7P2S8Br0.5I0.5, Li7P2SeI0.5Cl0.5 oder Li7P2S8I0.7sBr0.25 hergestellt.
There are also state-of-the-art approaches to improve manufacturing conditions:
  • For example, Tomoyuki Tsujimura et al. (4) disclose the compounds (1-x)LiCl-xLiBr-2Li 3 PS 4 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 and 1.0), which are prepared by high-energy ball milling, grinding for 16.5 h under argon and heating in a furnace at various heat treatment temperatures for 12 h under Vacuum crystallization is used to produce, for example, Li 7 P 2 S 8 I, Li 7 P 2 S 8 Br 0.5 I 0.5 , Li 7 P 2 S e I 0.5 Cl 0.5 or Li 7 P 2 S 8 I 0.7 sBr 0.25 .

Weiterhin beschreibt Wo Dum Jung et al.(5) die Herstellung von Li5,2Si0,2Sb0,8S4Br0,25I17,5 in einer mechanisch-chemischen Synthese ohne Glühen. Hierbei werden die Ausgangsmaterialien in den angegebenen stöchiometrischen Verhältnissen abgewogen, gemischt und dann einer zweistufigen Vermahlung in einer Planetenkugelmühle unterzogen. Der erste Mahldurchgang wird bei 550 U/min für 12 h durchgeführt, wobei 30 min gemahlen und dann 30 min pausiert wird, und dieser Zyklus wird 12 Mal wiederholt. Der zweite Mahldurchgang erfolgte bei 800 U/min für 3 h, wobei 30 min gemahlen und dann 15 min pausiert wird, und dieser Zyklus wird 4 Mal wiederholt.Furthermore, Wo Dum Jung et al. (5) describe the preparation of Li 5.2 Si 0.2 Sb 0.8 S 4 Br 0.25 I 17.5 in a mechanical-chemical synthesis without annealing. The starting materials are weighed in the specified stoichiometric ratios, mixed, and then subjected to two-stage grinding in a planetary ball mill. The first grinding run is carried out at 550 rpm for 12 h, with grinding for 30 min and then a 30-min break, and this cycle is repeated 12 times. The second grinding run is carried out at 800 rpm for 3 h, with grinding for 30 min and then a 15-min break, and this cycle is repeated 4 times.

Es besteht weiterhin ein großer Bedarf, Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis mit verbessertem Herstellungsverfahren und gleichzeitig guter Leistungsfähigkeit bereitzustellen.There remains a great need to provide sulfide-based solid-state electrolytes with improved manufacturing processes and good performance.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden und einen Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis bereitzustellen, der eine vergleichbare elektrochemische Leistungsfähigkeit, insbesondere ionische Leitfähigkeit und (elektro-)chemische Stabilität wie bekannte kristalline, sulfidische Festkörperelektrolyte aufweist, aber nicht die nachteiligen Bedingungen für das Herstellungsverfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, benötigt.The present invention is therefore based on the object of avoiding the disadvantages of the prior art and providing a sulfide-based solid electrolyte which has comparable electrochemical performance, in particular ionic conductivity and (electro-)chemical stability, as known crystalline, sulfidic solid electrolytes, but does not require the disadvantageous conditions for the production process known from the prior art.

Erfindungsgemäß wird obige Aufgabe durch einen Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis mit kristalliner oder glaskeramischer Struktur gelöst, umfassend oder bestehend aus der allgemeinen chemischen Formel (I): Li6M1aM2bS5X1xX2y Formel (I), wobei
M1 ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus P und Sb;
M2 ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Si, Sn und W;
a = 1,0 und 0,1 ≤ b ≤ 1,0;
X1 und X2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Cl, Br und I;
wobei gilt: x + y = 2 und X1 # X2.
According to the invention, the above object is achieved by a sulfide-based solid electrolyte with a crystalline or glass-ceramic structure, comprising or consisting of the general chemical formula (I): Li 6 M1 a M2 b S 5 X1 x X2 y Formula (I), where
M1 is selected from the group consisting of P and Sb;
M2 is selected from the group consisting of Si, Sn and W;
a = 1.0 and 0.1 ≤ b ≤ 1.0;
X1 and X2 are each independently selected from the group consisting of Cl, Br and I;
where x + y = 2 and X1 # X2.

Es wird daher ein Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis mit der allgemeinen chemischen Formel (I) bereitgestellt. Die Begriffe „Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis“, „sulfidischer Festkörperelekrolyt“ und „Sulfidfestkörperelektrolyt“ sollen synonym und austauschbar verstanden werden.Therefore, a sulfide-based solid electrolyte with the general chemical formula (I) is provided. The terms "sulfide-based solid electrolyte," "sulfidic solid electrolyte," and "sulfide solid electrolyte" should be understood as synonymous and interchangeable.

Der Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis der Erfindung stellt einen neuartigen Festkörperelektrolyt dar, der eine glaskeramische oder kristalline Morphologie aufweisen kann, d.h. es liegen entweder gleichzeitig sowohl kristalline als auch amorphe Anteile oder ausschließlich eine kristalline Struktur vor.The sulfide-based solid electrolyte of the invention represents a novel solid electrolyte which can have a glass-ceramic or crystalline morphology, i.e., it can have either both crystalline and amorphous components simultaneously or exclusively a crystalline structure.

Es ist bekannt, dass kristalline, sulfidische Festkörperelektrolyte, wie beispielweise Li10GeP2S12 (LGPS) und Li6PS5Cl (Argyrodit) (siehe Subin Song et al.(3) und Laidong Zhou et al.(2)), üblicherweise eine höhere elektrochemische Leistungsfähigkeit als amorphe oder glaskeramische Festkörperelekrolyte, d.h. Festkörperelekrolyte mit kristallinen und amorphen Anteilen, haben. Der erfindungsgemäße Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis, der eine glaskermische oder auch kristalline Struktur aufweisen kann, zeigt jedoch auch eine hohe elektrische Leistungsfähigkeit. Der Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis weist eine hohe Ionenleitfähigkeit bei 25°C (σRT) von > 4 mS*cm-1 auf. Es werden auch stabile hohe Stromdichten von 1 mA* cm-2 oder mehr gemessen.It is known that crystalline, sulfidic solid electrolytes, such as Li 10 GeP 2 S 12 (LGPS) and Li 6 PS 5 Cl (argyrodite) (see Subin Song et al. (3) and Laidong Zhou et al. (2) ), usually have higher electrochemical performance than amorphous or glass-ceramic solid electrolytes, i.e. solid electrolytes with crystalline and amorphous components. However, the sulfide-based solid electrolyte according to the invention, which can have a glass-ceramic or crystalline structure, also shows high electrical performance. The sulfide-based solid electrolyte has a high ionic conductivity at 25°C (σ RT ) of > 4 mS*cm -1 . Stable high current densities of 1 mA*cm -2 or more have also been measured.

In der allgemeinen chemischen Formel (I) ist M1 entweder Phosphor (P) oder Antimon (Sb) und M2 ist entweder Silizium (Si), Zinn (Sn) oder Wolfram (W).In the general chemical formula (I), M1 is either phosphorus (P) or antimony (Sb) and M2 is either silicon (Si), tin (Sn) or tungsten (W).

Für die Parameter a und b gilt: a = 1,0 und 0,1 ≤ b ≤ 1,0; wobei a + b = 1,1 bis 2,0.For the parameters a and b, a = 1.0 and 0.1 ≤ b ≤ 1.0; where a + b = 1.1 to 2.0.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gilt für die allgemeine chemische Formel (I): 0,1 ≤ b ≤ 0,95 oder 0,15 ≤ b ≤ 0,95 oder 0,2 ≤ b ≤ 0,9 oder 0,25 ≤ b ≤ 0,85 oder 0,25 ≤ b ≤ 0,8, insbesondere 0,3 ≤ b ≤ 0,75 oder 0,3 ≤ b ≤ 0,7 oder 0,35 ≤ b ≤ 0,7.According to a preferred embodiment, the following applies to the general chemical formula (I): 0.1 ≤ b ≤ 0.95 or 0.15 ≤ b ≤ 0.95 or 0.2 ≤ b ≤ 0.9 or 0.25 ≤ b ≤ 0.85 or 0.25 ≤ b ≤ 0.8, in particular 0.3 ≤ b ≤ 0.75 or 0.3 ≤ b ≤ 0.7 or 0.35 ≤ b ≤ 0.7.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gilt für die allgemeine chemische Formel (I): 1,2 ≤ a + b ≤ 2,0 oder 1,25 ≤ a + b ≤ 2,0 oder 1,3 ≤ a + b ≤ 2,0 oder 1,35 ≤ a + b ≤ 1,9 oder 1,4 ≤ a + b ≤ 1,9, insbesondere 1,4 ≤ a + b ≤ 1,85 oder 1,4 ≤ a + b ≤ 1,8. According to a preferred embodiment, the following applies to the general chemical formula (I): 1.2 ≤ a + b ≤ 2.0 or 1.25 ≤ a + b ≤ 2.0 or 1.3 ≤ a + b ≤ 2.0 or 1.35 ≤ a + b ≤ 1.9 or 1.4 ≤ a + b ≤ 1.9, in particular 1.4 ≤ a + b ≤ 1.85 or 1.4 ≤ a + b ≤ 1.8 .

In der allgemeinen chemischen Formel (I) ist X1 ausgewählt aus Cl, Br oder I; X2 ist ebenfalls ausgewählt aus Cl, Br oder I. Jedoch sollen X1 und X2 voneinander verschieden ausgewählt sein, so dass X1 ≠ X2. Dies bedeutet, dass wenn beispielsweise X1 = Cl, dann kann X2 nicht Cl sein, sondern nur Br oder 1.In the general chemical formula (I), X1 is selected from Cl, Br, or I; X2 is also selected from Cl, Br, or I. However, X1 and X2 should be selected differently from each other, such that X1 ≠ X2. This means that if, for example, X1 = Cl, then X2 cannot be Cl, but only Br or I.

Die Variablen x + y ergeben zusammen 2, wobei zudem gilt x > 0 und y > 0. Gemäß einer Ausführungsform kann x im Bereich von 0,1 bis 1,9 liegen und y liegt dann im Bereich von 1,9 bis 0,1. Bevorzugt liegt x im Bereich von 0,3 bis 1,7, insbesondere im Bereich von 0,4 bis 1,7 oder 0,5 bis 1,65 oder 0,6 bis 1,6, insbesondere im Bereich von 0,75 bis 1,5. Bevorzugt liegt y im Bereich von 1,7 bis 0,3, insbesondere im Bereich von 1,6 bis 0,3 oder 1,5 bis 0,35 oder 1,4 bis 0,4, insbesondere im Bereich von 1,25 bis 0,5.The variables x + y add up to 2, where x > 0 and y > 0 also apply. According to one embodiment, x can be in the range from 0.1 to 1.9 and y is then in the range from 1.9 to 0.1. Preferably, x is in the range from 0.3 to 1.7, in particular in particular in the range from 0.4 to 1.7 or 0.5 to 1.65 or 0.6 to 1.6, in particular in the range from 0.75 to 1.5. Preferably, y is in the range from 1.7 to 0.3, in particular in the range from 1.6 to 0.3 or 1.5 to 0.35 or 1.4 to 0.4, in particular in the range from 1.25 to 0.5.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist x = 1 und y = 1.According to a preferred embodiment, x = 1 and y = 1.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Halogene in der allgemeinen chemischen Formel (I) in überstöchiometrischer Menge vorliegen, d.h. (x + y) > 1. Insbesondere wenn dies eingehalten wird, werden vorteilhafte elektrochemische Eigenschaften, wie die hohe Ionenleitfähigkeit und stabile hohe Stromdichte erreicht.It has been found to be particularly advantageous if the halogens in the general chemical formula (I) are present in a superstoichiometric amount, i.e. (x + y) > 1. In particular, if this is maintained, advantageous electrochemical properties such as high ionic conductivity and stable high current density are achieved.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis mit den folgenden Schritten:

  1. (a) Bereitstellen der Ausgangsmaterialien des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis, bevorzugt in Form von Sulfid- und/oder Halogenidsalzen,
  2. (b) Abwiegen der Ausgangsmaterialien in den Mengen gemäß der angegebenen Stöchiometrie in der allgemeinen Formel (I) des Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis der vorliegenden Erfindung;
  3. (c) erstes Mahlen der abgewogenen Mengen der Ausgangsmaterialien in einer Kugelmühle bei 300 bis 500 U/min für mehr als 10 h;
  4. (d) zweites Mahlen der in Schritt (c) erhaltenen Mischung bei 500 bis 800 U/min in einer Kugelmühle für weniger als 10 h und
  5. (e) Erhalten des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis,
wobei die Schritte (b), (c) und (d) in Inertgasatmosphäre unter Feuchtigkeitsausschluss oder im Vakuum unter Feuchtigkeitsausschluss durchgeführt werden.The invention also relates to a process for producing the sulfide-based solid electrolyte comprising the following steps:
  1. (a) providing the starting materials of the sulfide-based solid electrolyte, preferably in the form of sulfide and/or halide salts,
  2. (b) weighing the starting materials in the amounts according to the specified stoichiometry in the general formula (I) of the sulfide-based solid electrolyte of the present invention;
  3. (c) first grinding the weighed quantities of starting materials in a ball mill at 300 to 500 rpm for more than 10 h;
  4. (d) second grinding of the mixture obtained in step (c) at 500 to 800 rpm in a ball mill for less than 10 h and
  5. (e) obtaining the sulfide-based solid electrolyte,
wherein steps (b), (c) and (d) are carried out in an inert gas atmosphere with exclusion of moisture or in a vacuum with exclusion of moisture.

In Schritt (a) werden zunächst die Ausgangsmaterialien des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis bereitgestellt. Diese sind beispielweise kommerziell erhältliche Salze, bevorzugt in Form von Sulfid- und/oder Halogenidsalzen. Die Salze werden jeweils bevorzugt in einer Reinheit von ≥ 98%, bevorzugter ≥ 98,5%, noch bevorzugter ≥ 99,0 %, insbesondere ≥ 99,5% oder ≥ 99,9% oder ≥ 99,98% oder sogar ≥ 99,99% Reinheit eingesetzt.In step (a), the starting materials of the sulfide-based solid-state electrolyte are first prepared. These are, for example, commercially available salts, preferably in the form of sulfide and/or halide salts. The salts are preferably used in a purity of ≥ 98%, more preferably ≥ 98.5%, even more preferably ≥ 99.0%, in particular ≥ 99.5% or ≥ 99.9% or ≥ 99.98%, or even ≥ 99.99% purity.

In Schritt (b) erfolgt dann das Abwiegen der Ausgangsmaterialien in (über-)stöchiometrischen Mengen gemäß der allgemeinen Formel (I). Das Abwiegen wird unter Inertgasatmosphäre oder im Vakuum, d.h. ohne Vorliegen von Sauerstoff, und unter Feuchtigkeitsausschluss durchgeführt. Eine Inertgasatmosphäre ist beispielweise ein Edelgas, wie Argon, oder Stickstoffgas und dergleichen. Unter Feuchtigkeitsausschluss bedeutet beispielsweise einen Gehalt an H2O < 0,6 ppm. Auch die Einhaltung eines O2-Gehalts < 0,6 ppm kann zweckmäßig sein.In step (b), the starting materials are then weighed in (super-)stoichiometric amounts according to general formula (I). The weighing is carried out under an inert gas atmosphere or in a vacuum, i.e., without the presence of oxygen, and with exclusion of moisture. An inert gas atmosphere is, for example, a noble gas such as argon, nitrogen gas, or the like. Exclusion of moisture means, for example, an H 2 O content of < 0.6 ppm. Maintaining an O 2 content of < 0.6 ppm may also be appropriate.

Nach dem Abwiegen in Schritt (b) kann optional ein Mischen der Ausgangsmaterialien durchgeführt werden oder es kann auch direkt zu Schritt (c) übergegangen werden. Wenn ein Mischen durchgeführt wird, dann erfolgt dieses ebenfalls unter Inertgasatmosphäre oder unter Vakuum und bevorzugt unter Einhaltung eines O2-Gehalts < 0,6 ppm und bevorzugt unter Feuchtigkeitsausschluss, z.B. H2O < 0,6 ppm.After weighing in step (b), the starting materials can optionally be mixed, or the process can proceed directly to step (c). If mixing is performed, this is also carried out under an inert gas atmosphere or under vacuum, preferably maintaining an O 2 content of < 0.6 ppm and preferably excluding moisture, e.g., H 2 O < 0.6 ppm.

Im dem sich anschließenden Schritt (c) werden die abgewogenen Mengen der Ausgangsmaterialien einem ersten Mahlschritt unterzogen. Der erste Mahlschritt wird bei einer relativ niedrigen Zahl an Umdrehungen pro Minute in einer Kugelmühle durchgeführt. Das Mahlen erfolgt bei 300 bis 500 U/min. Bevorzugt werden 300 bis 450 U/min eingesetzt, noch bevorzugter 350 bis 450 U/min, insbesondere werden etwa 400 U/min verwendet.In the subsequent step (c), the weighed quantities of starting materials are subjected to a first grinding step. The first grinding step is carried out at a relatively low number of revolutions per minute in a ball mill. Grinding takes place at 300 to 500 rpm. Preferably, 300 to 450 rpm is used, more preferably 350 to 450 rpm, and in particular, about 400 rpm is used.

Der erste Mahlschritt gemäß Schritt (c) wird bevorzugt für eine Dauer im Bereich von 11 h bis 18 h, bevorzugter 11 h bis 16 h, noch bevorzugter 11 h bis 14 h oder 11 h bis 13 h oder 11 h bis 12 h, insbesondere etwa 11 h durchgeführt. Bevorzugt wird das Mahlen im ersten Mahlschritt (c) nicht unterbrochen, sondern kontinuierlich durchgeführt.The first milling step according to step (c) is preferably carried out for a duration in the range of 11 h to 18 h, more preferably 11 h to 16 h, even more preferably 11 h to 14 h or 11 h to 13 h or 11 h to 12 h, in particular about 11 h. Preferably, the milling in the first milling step (c) is not interrupted, but carried out continuously.

In einem zweiten Mahlschritt (d) wird die in Schritt (c) erhaltene Mischung in einer Kugelmühle bevorzugt bei einer höheren Zahl an Umdrehungen pro Minute als im ersten Mahlschritt gemahlen. Das Mahlen im zweiten Mahlschritt erfolgt bei 500 bis 800 U/min. Bevorzugt werden 500 bis 750 U/min eingesetzt, bevorzugter 500 bis 700 U/min, noch bevorzugter 550 bis 700 U/min, insbesondere werden etwa 650 U/min verwendet.In a second milling step (d), the mixture obtained in step (c) is milled in a ball mill, preferably at a higher number of revolutions per minute than in the first milling step. Milling in the second milling step takes place at 500 to 800 rpm. Preferably, 500 to 750 rpm are used, more preferably 500 to 700 rpm, even more preferably 550 to 700 rpm, and in particular, about 650 rpm are used.

Der zweite Mahlschritt gemäß Schritt (d) wird bevorzugt für eine Dauer im Bereich von 3 h bis 9 h, bevorzugter 4 h bis 8 h, noch bevorzugter 5 h bis 7 h, insbesondere 5 h bis 6 h oder etwa 5,5 h durchgeführt. Das Mahlen in Schritt (d) wird bevorzugt nicht unterbrochen, sondern kontinuierlich durchgeführt.The second milling step according to step (d) is preferably carried out for a duration in the range of 3 h to 9 h, more preferably 4 h to 8 h, even more preferably 5 h to 7 h, especially 5 h to 6 h, or about 5.5 h. The milling in step (d) is preferably not interrupted, but carried out continuously.

Der erste Mahlschritt (c) wird daher bevorzugt bei einer niedrigeren Zahl an Umdrehungen pro Minute und für eine längere Dauer als in Schritt (d) in einer Kugelmühle durchgeführt und der zweite Mahlschritt (d) wird bevorzugt bei einer höheren Zahl an Umdrehungen pro Minute und für eine kürzere Dauer als in Schritt (c) in einer Kugelmühle durchgeführt.The first milling step (c) is therefore preferably carried out at a lower number of revolutions per minute and for a longer duration than in step (d) in a ball mill and the second milling step (d) is preferably carried out at a higher number of revolutions per minute and for a shorter duration duration than in step (c) in a ball mill.

In den beiden Mahlschritten (c) und (d) kann jede Art von Kugelmühle eingesetzt werden, in der unter Inertgasatmosphäre oder unter Vakuum und bevorzugt unter Einhaltung eines O2-Gehalts < 0,6 ppm und bevorzugt unter Feuchtigkeitsausschluss, z.B. H2O < 0,6 ppm, ein Mahlen durchgeführt werden kann. Besonders bevorzugt wird erfindungsgemäß eine Planetenkugelmühle eingesetzt. Die Kugeln der Kugelmühle können beispielsweise aus Stahl, Stein, Porzellan oder Keramik ausgewählt sein. Bevorzugt sind Kugeln aus Keramikmaterialien, z.B. aus ZrO2. In beiden Mahlschritten (c) und (d) wird bevorzugt dieselbe Kugelmühle eingesetzt.In the two grinding steps (c) and (d), any type of ball mill can be used in which grinding can be carried out under an inert gas atmosphere or under vacuum and preferably while maintaining an O 2 content < 0.6 ppm and preferably with the exclusion of moisture, e.g. H 2 O < 0.6 ppm. According to the invention, a planetary ball mill is particularly preferably used. The balls of the ball mill can be selected, for example, from steel, stone, porcelain or ceramic. Balls made of ceramic materials, e.g. from ZrO 2 , are preferred. The same ball mill is preferably used in both grinding steps (c) and (d).

Bevorzugt schließt sich der zweite Mahlschritt (Schritt (d)) unmittelbar und ohne Zwischenschritt an den ersten Mahlschritt (Schritt (c)) an.Preferably, the second grinding step (step (d)) follows the first grinding step (step (c)) immediately and without an intermediate step.

Nach den zwei Mahlschritten wird in Schritt (e) der Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis erhalten.After the two milling steps, the sulfide-based solid electrolyte is obtained in step (e).

Die Form, in der der Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis mit kristalliner oder glaskeramischer Struktur vorliegen kann, ist nicht weiter beschränkt. Bevorzugt wird der in Schritt (e) erhaltene Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis einem weiteren Mahlschritt unterzogen, um ein Pulver zu erhalten. Bevorzugt liegt der durchschnittliche Partikeldurchmesser (d50) dieses Pulvers im Bereich von 0,1 µm bis 50 µm. Das Mahlen erfolgt bevorzugt wieder unter Inertgasatmosphäre oder unter Vakuum und unter Feuchtigkeits- und Sauerstoffausschluss, wie bereits erläutert.The form in which the sulfide-based solid electrolyte with a crystalline or glass-ceramic structure can be present is not further restricted. Preferably, the sulfide-based solid electrolyte obtained in step (e) is subjected to a further grinding step to obtain a powder. The average particle diameter (d50) of this powder is preferably in the range of 0.1 µm to 50 µm. Grinding is preferably carried out again under an inert gas atmosphere or under vacuum and with the exclusion of moisture and oxygen, as already explained.

Im erfindungsgemäßen Verfahren ist kein Heizschritt mehr zur Synthese des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis erforderlich. Insbesondere ist ein Glühen nicht mehr erforderlich. Die Kosten für das Herstellungsverfahren können daher deutlich verringert werden. Zudem ist eine deutlich kürzere Zeitspanne als bei der herkömmlichen Festkörpersynthese notwendig, um den Festkörperelektrolyten bereitzustellen. Dies bedeutet auch eine signifikante Verringerung des Energieverbrauchs. Insbesondere in großtechnischem Maßstab wirkt sich dies besonders gravierend aus, so dass eine leichtere Hochskalierung des Festkörperelektolytmaterials zur Herstellung in industriellem Maßstab möglich wird. Insgesamt ist das Verfahren der Erfindung gegenüber den bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik sowohl hinsichtlich Zeit-, Energie- als auch Kostenaufwand verbessert. Die bedeutet gleichzeitig eine deutliche Verbesserung der CO2-Bilanz.In the process according to the invention, a heating step is no longer required for the synthesis of the sulfide-based solid electrolyte. In particular, annealing is no longer necessary. The costs of the manufacturing process can therefore be significantly reduced. In addition, a significantly shorter period of time is required to prepare the solid electrolyte than with conventional solid-state synthesis. This also means a significant reduction in energy consumption. This has a particularly significant impact on large-scale production, enabling easier upscaling of the solid electrolyte material for industrial-scale production. Overall, the process of the invention is improved over known prior art processes in terms of both time, energy, and cost. This also means a significant improvement in the CO2 footprint.

Zudem zeigen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis eine ähnlich hohe elektrochemische Leistungsfähigkeit im Vergleich zu anderen kristallinen Festkörperelektrolyten auf Sulfidbasis, wie LGPS oder Argyrodite, die generell für ihre hohe elektrochemische Leistungsfähigkeit (ionische Leitfähigkeit/(elektro-)chemische Stabilität) bekannt sind.In addition, the sulfide-based solid-state electrolytes produced by the process according to the invention show a similarly high electrochemical performance compared to other crystalline sulfide-based solid-state electrolytes, such as LGPS or argyrodite, which are generally known for their high electrochemical performance (ionic conductivity/(electro-)chemical stability).

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis in einer Festkörperbatteriezelle.The invention also relates to the use of the sulfide-based solid electrolyte in a solid-state battery cell.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Festkörperbatteriezelle, umfassend den Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis gemäß der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt ist die Festkörperbatteriezelle eine Zelle mit hoher Leistungsabgabe.The invention also relates to a solid-state battery cell comprising the sulfide-based solid electrolyte according to the present invention. Preferably, the solid-state battery cell is a high-power cell.

Die Festkörperbatteriezelle der vorliegenden Erfindung kann eine Primärbatterie oder eine Sekundärbatterie sein, bevorzugt eine Sekundärbatterie, die wiederholt geladen und entladen werden kann. Primärbatterien können nur einmal entladen und danach nicht wieder aufgeladen werden. Sekundärbatterien, die auch als Akkumulatoren bezeichnet werden, sind wieder aufladbar. Beispielweise kann die erfindungsgemäße Festkörperbatteriezelle in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug (BEV, battery electric vehicle) montiert sein.The solid-state battery cell of the present invention can be a primary battery or a secondary battery, preferably a secondary battery that can be repeatedly charged and discharged. Primary batteries can be discharged only once and cannot be recharged thereafter. Secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable. For example, the solid-state battery cell of the present invention can be installed in an electrically powered vehicle (BEV, battery electric vehicle).

Bevorzugt weist eine Festkörperbatteriezelle eine Kathoden-Materialschicht, eine Anoden-Materialschicht sowie eine dazwischen angeordnete Elektrolytschicht auf, wobei der erfindungsgemäße Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis in einer, zwei oder allen drei Schichten vorliegt.Preferably, a solid-state battery cell comprises a cathode material layer, an anode material layer and an electrolyte layer arranged therebetween, wherein the sulfide-based solid-state electrolyte according to the invention is present in one, two or all three layers.

Die Anoden-Materialschicht einer Festkörperbatteriezelle weist beispielsweise mindestens ein anodenaktives Material auf und kann ein Festkörperelektrolytmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel enthalten. Bevorzugt enthält die anodenaktive Materialschicht den erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis mit kristalliner oder glaskeramischer Struktur, beispielsweise in einem Anteil von 0,1 bis 80 Vol.-%. Weiterhin können als anodenaktive Materialien ein Metall, wie In, Al, Si und Sn vorliegen. Die Anoden-Materialschicht kann ferner ein leitfähiges Material enthalten, beispielsweise ausgewählt aus Ruß, graphitiertem Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kohlenstoff-Nanofasern oder Kombinationen dieser. Außerdem kann die Anoden-Materialschicht ein Bindemittel umfassen, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF). Die Dicke der Anoden-Materialschicht liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,1 µm bis 1000 µm.The anode material layer of a solid-state battery cell, for example, comprises at least one anode-active material and may contain a solid electrolyte material, a conductive material, and a binder. The anode-active material layer preferably contains the inventive sulfide-based solid electrolyte with a crystalline or glass-ceramic structure, for example in a proportion of 0.1 to 80 vol.%. Furthermore, a metal such as In, Al, Si, and Sn may be present as anode-active material. The anode material layer may further contain a conductive material, for example selected from carbon black, graphitized carbon black, graphite, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, or combinations thereof. Furthermore, the anode material layer may comprise a binder, such as polyvinylidene fluoride (PVDF). The thickness of the anode material layer is preferably in a range from 0.1 µm to 1000 µm.

Die Kathoden-Materialschicht einer Festkörperbatteriezelle weist beispielweise mindestens ein kathodenaktives Material auf und kann ein Festkörperelektrolytmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel enthalten. Bevorzugt enthält die kathodenaktive Materialschicht den erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis, beispielsweise in einem Anteil von 0,1 bis 80 Vol.-%. Beispielweise kann ein kathodenaktives Material LiCoO2, LiNiO2 oder LiyNi(1-p-w)MpNwO2 enthalten, wobei 0,8 ≤ y ≤ 1,2, 0 ≤ p ≤ 0,33, 0 ≤ w ≤ 0,33, wobei M und N aus Mn, Co, Al ausgewählt sind. Weiterhin liegen insbesondere ein leitfähiges Material und ein Bindemittel, wie beispielsweise für die Anoden-Materialschicht beschrieben, vor. Die Dicke der Kathoden-Materialschicht liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 µm bis 1000 µm.The cathode material layer of a solid-state battery cell comprises, for example, at least one cathode active material and may comprise a solid electrolyte material, a conductive material and a Contain binders. The cathode-active material layer preferably contains the sulfide-based solid electrolyte according to the invention, for example in a proportion of 0.1 to 80 vol.%. For example, a cathode-active material can contain LiCoO 2 , LiNiO 2 or Li y Ni (1-pw )M p N w O 2 , where 0.8 ≤ y ≤ 1.2, 0 ≤ p ≤ 0.33, 0 ≤ w ≤ 0.33, where M and N are selected from Mn, Co, Al. Furthermore, in particular a conductive material and a binder are present, as described, for example, for the anode material layer. The thickness of the cathode material layer is preferably in the range from 0.1 µm to 1000 µm.

Die Elektrolytschicht einer Festkörperbatteriezelle liegt zwischen der Kathoden-Materialschicht und der Anoden-Materialschicht vor und ermöglicht die Ionenleitung. Bevorzugt enthält die Elektrolytschicht den erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis, der in einem Anteil von 10 bis 100 Vol.-% vorliegt. Die Dicke der Elektrolytschicht liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 µm bis 1000 µm, beispielweise im Bereich von 0,1 µm bis 300 µm.The electrolyte layer of a solid-state battery cell is located between the cathode material layer and the anode material layer and enables ionic conduction. The electrolyte layer preferably contains the sulfide-based solid electrolyte according to the invention, present in a proportion of 10 to 100 vol. The thickness of the electrolyte layer is preferably in the range of 0.1 µm to 1000 µm, for example in the range of 0.1 µm to 300 µm.

Die Festkörperbatteriezelle weist einen Separator auf, der die Anode und Kathode räumlich und elektrisch voneinander trennt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Separator der Festkörperbatteriezelle einen Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis auf.The solid-state battery cell has a separator that spatially and electrically separates the anode and cathode. According to a preferred embodiment, the separator of the solid-state battery cell has a sulfide-based solid electrolyte.

Bevorzugt ist weiterhin, wenn die Teilchengröße (d50) des Festkörperelektrolyten auf Sulfidbasis der Kathodenzusammensetzung kleiner ist als die Teilchengröße (d50) des aktiven Kathodenmaterials. Ferner ist bevorzugt, wenn die Teilchengröße (d50) des in der Kathodenzusammensetzung verwendeten Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis kleiner ist als die Teilchengröße (d50) des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis, der für den Separator verwendet wird.It is further preferred if the particle size (d50) of the sulfide-based solid electrolyte of the cathode composition is smaller than the particle size (d50) of the active cathode material. It is further preferred if the particle size (d50) of the sulfide-based solid electrolyte used in the cathode composition is smaller than the particle size (d50) of the sulfide-based solid electrolyte used for the separator.

Der Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis zeigt besonders gute Eigenschaften, ist besonders vorteilhaft herzustellen und ist daher in Festkörperbatteriezellen in vorteilhafter Weise einsetzbar.The sulfide-based solid-state electrolyte exhibits particularly good properties, is particularly advantageous to manufacture and can therefore be used advantageously in solid-state battery cells.

Herstellungsbeispiel:Manufacturing example:

Festkörperelektrolyt-Materialien auf Sulfidbasis der vorliegenden Erfindung gemäß der Formel (I) wurden mit Hilfe einer mechanischen Kugelmühle wie nachfolgend beschrieben hergestellt:

  • Hierzu wurden Li2S (99,9 %+ Reinheit), P2S5 (99,9 %+ Reinheit), SnS2 (99,9 %+ Reinheit), LiBr (99,9 %+ Reinheit) und LiI (99,9 %+ Reinheit) in den Mengen für die angegebene Stöchiometrie in einem mit Argongas gefüllten Handschuhkasten mit < 0,6 ppm H2O und < 0,6 ppm O2 abgewogen. Die eingewogenen Chemikalien wurden gemischt und in einer Zirkoniumdioxid-Planetenkugelmühle im Handschuhkasten im ersten Mahlschritt 11 h Stunden lang mit einer Pulverisette 7 Premium-Serie der Fa. Fritsch bei 450 U/min gemahlen. Dann wurde das Pulver im zweiten Mahlschritt in derselben Zirkoniumdioxid-Planetenkugelmühle (Pulverisette 7 Premium-Serie der Fa. Fritsch) 5,5 h Stunden lang bei 650 U/min gemahlen. Nach dem Mahlen wurde der gewünschte Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis erhalten.
Sulfide-based solid electrolyte materials of the present invention according to formula (I) were prepared using a mechanical ball mill as described below:
  • For this purpose, Li 2 S (99.9%+ purity), P 2 S 5 (99.9%+ purity), SnS 2 (99.9%+ purity), LiBr (99.9%+ purity) and LiI (99.9%+ purity) were weighed in the amounts for the specified stoichiometry in a glove box filled with argon gas with < 0.6 ppm H 2 O and < 0.6 ppm O 2. The weighed chemicals were mixed and ground in a zirconium dioxide planetary ball mill in the glove box for 11 hours in the first grinding step using a Pulverisette 7 Premium series from Fritsch at 450 rpm. The powder was then ground in the same zirconium dioxide planetary ball mill (Pulverisette 7 Premium series from Fritsch) for 5.5 hours at 650 rpm in the second grinding step. After grinding, the desired sulfide-based solid electrolyte was obtained.

LiteraturlisteLiterature list

  1. (1) Thorben Krauskopf et al.: „Bottleneck of Diffusion and Inductive Effects in Li10Ge1-xSnxP2S12“ in Chem. Mater. 2018, 30, S. 1791-1798 ;(1) Thorben Krauskopf et al.: “Bottleneck of Diffusion and Inductive Effects in Li10Ge1-xSnxP2S12” in Chem. Mater. 2018, 30, pp. 1791-1798 ;
  2. (2) Laidong Zhou et al.: „New Family of Argyrodite Thioantimonate Lithium Superionic Conductors“ in J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, S. 19002-19013 ;(2) Laidong Zhou et al.: “New Family of Argyrodite Thioantimonate Lithium Superionic Conductors” in J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, pp. 19002-19013 ;
  3. (3) Subin Song et al.: „Material Search for a Li10GeP2S12-Type Solid Electrolyte in the Li-P-S-X (X = Br, I) System via Clarification of the Composition-Structure-Property Relationships“ in Chem Mater. 2022, 34, S. 8237-8247 ;(3) Subin Song et al.: “Material Search for a Li10GeP2S12-Type Solid Electrolyte in the Li-PSX (X = Br, I) System via Clarification of the Composition-Structure-Property Relationships” in Chem Mater. 2022, 34, pp. 8237-8247 ;
  4. (4) Tomoyuki Tsujimura et al.: „Synthesis and characterization of low-temperature lithium-ion conductive phase of LiX(X = Cl, Br)-Li3PS4 solid electrolytes“ in Solid State lonics 383, 2022, 115970, S. 1-8 ; und(4) Tomoyuki Tsujimura et al.: “Synthesis and characterization of low-temperature lithium-ion conductive phase of LiX(X = Cl, Br)-Li3PS4 solid electrolytes” in Solid State lonics 383, 2022, 115970, pp. 1-8 ; and
  5. (5) Wo Dum Jung et al.: „Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus“ in Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2211185, S. 1 bis 11 .(5) Wo Dum Jung et al.: “Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus” in Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2211185, pp. 1 to 11 .

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Thorben Krauskopf et al.: „Bottleneck of Diffusion and Inductive Effects in Li10Ge1-xSnxP2S12“ in Chem. Mater. 2018, 30, S. 1791-1798 [0051]Thorben Krauskopf et al.: “Bottleneck of Diffusion and Inductive Effects in Li 10 Ge 1-x Sn x P 2 S 12 ” in Chem. Mater. 2018, 30, pp. 1791-1798 [0051]
  • Laidong Zhou et al.: „New Family of Argyrodite Thioantimonate Lithium Superionic Conductors“ in J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, S. 19002-19013 [0051]Laidong Zhou et al.: “New Family of Argyrodite Thioantimonate Lithium Superionic Conductors” in J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, pp. 19002-19013 [0051]
  • Subin Song et al.: „Material Search for a Li10GeP2S12-Type Solid Electrolyte in the Li-P-S-X (X = Br, I) System via Clarification of the Composition-Structure-Property Relationships“ in Chem Mater. 2022, 34, S. 8237-8247 [0051]Subin Song et al.: “Material Search for a Li 10 GeP 2 S 12 -Type Solid Electrolyte in the Li-PSX (X = Br, I) System via Clarification of the Composition-Structure-Property Relationships” in Chem Mater. 2022, 34, pp. 8237-8247 [0051]
  • Tomoyuki Tsujimura et al.: „Synthesis and characterization of low-temperature lithium-ion conductive phase of LiX(X = Cl, Br)-Li3PS4 solid electrolytes“ in Solid State lonics 383, 2022, 115970, S. 1-8 [0051]Tomoyuki Tsujimura et al.: “Synthesis and characterization of low-temperature lithium-ion conductive phase of LiX(X = Cl, Br)-Li 3 PS 4 solid electrolytes” in Solid State lonics 383, 2022, 115970, pp. 1-8 [0051]
  • Wo Dum Jung et al.: „Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus“ in Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2211185, S. 1 bis 11 [0051]Wo Dum Jung et al.: “Annealing-Free Thioantimonate Argyrodites with High Li-Ion Conductivity and Low Elastic Modulus” in Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2211185, pp. 1 to 11 [0051]

Claims (14)

Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis, umfassend oder bestehend aus der allgemeinen chemischen Formel (I): Li6M1aM2bS5X1xX2y Formel (I), wobei M1 ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus P und Sb; M2 ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Si, Sn und W; a = 1,0 und 0,1 ≤ b ≤ 1,0; X1 und X2 jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Cl, Br und I; wobei gilt: x + y = 2 und X1 ≠ X2.Sulfide-based solid electrolyte comprising or consisting of the general chemical formula (I): Li 6 M1 a M2 b S 5 X1 x X2 y Formula (I), where M1 is selected from the group consisting of P and Sb; M2 is selected from the group consisting of Si, Sn and W; a = 1.0 and 0.1 ≤ b ≤ 1.0; X1 and X2 are each independently selected from the group consisting of Cl, Br and I; where x + y = 2 and X1 ≠ X2. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass x im Bereich von 0,1 bis 1,9 oder 0,3 bis 1,7, bevorzugt im Bereich von 0,4 bis 1,7 oder 0,5 bis 1,65 oder 0,6 bis 1,6, insbesondere im Bereich von 0,75 bis 1,5 liegt; und/oder y im Bereich von 1,9 bis 0,1 oder 1,7 bis 0,3, bevorzugt im Bereich von 1,6 bis 0,3 oder 1,5 bis 0,35 oder 1,4 bis 0,4, insbesondere im Bereich von 1,25 bis 0,5 liegt.Solid electrolyte according to Claim 1 , characterized in that x is in the range from 0.1 to 1.9 or 0.3 to 1.7, preferably in the range from 0.4 to 1.7 or 0.5 to 1.65 or 0.6 to 1.6, in particular in the range from 0.75 to 1.5; and/or y is in the range from 1.9 to 0.1 or 1.7 to 0.3, preferably in the range from 1.6 to 0.3 or 1.5 to 0.35 or 1.4 to 0.4, in particular in the range from 1.25 to 0.5. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass x = 1 und y = 1.Solid electrolyte according to Claim 1 or 2 , characterized in that x = 1 and y = 1. Festkörperelektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der allgemeinen chemischen Formel (I) gilt: 0,1 ≤ b ≤ 0,95 oder 0,15 ≤ b ≤ 0,95 oder 0,2 ≤ b ≤ 0,9 oder 0,25 ≤ b ≤ 0,85 oder 0,25 ≤ b ≤ 0,8, insbesondere 0,3 ≤ b ≤ 0,75 oder 0,3 ≤ b ≤ 0,7 oder 0,35 ≤ b ≤ 0,7; und/oder 1,2 ≤ a + b ≤ 2,0 oder 1,25 ≤ a + b ≤ 2,0 oder 1,3 ≤ a + b ≤ 2,0 oder 1,35 ≤ a + b ≤ 1,9 oder 1,4 ≤ a + b ≤ 1,9, insbesondere 1,4 ≤ a + b ≤ 1,85 oder 1,4 ≤ a + b ≤ 1,8.Solid electrolyte according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that in the general chemical formula (I) the following applies: 0.1 ≤ b ≤ 0.95 or 0.15 ≤ b ≤ 0.95 or 0.2 ≤ b ≤ 0.9 or 0.25 ≤ b ≤ 0.85 or 0.25 ≤ b ≤ 0.8, in particular 0.3 ≤ b ≤ 0.75 or 0.3 ≤ b ≤ 0.7 or 0.35 ≤ b ≤ 0.7; and/or 1.2 ≤ a + b ≤ 2.0 or 1.25 ≤ a + b ≤ 2.0 or 1.3 ≤ a + b ≤ 2.0 or 1.35 ≤ a + b ≤ 1.9 or 1.4 ≤ a + b ≤ 1.9, in particular 1.4 ≤ a + b ≤ 1.85 or 1.4 ≤ a + b ≤ 1.8. Verfahren zur Herstellung des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit den Schritten: (a) Bereitstellen der Ausgangsmaterialien des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis, bevorzugt in Form von Sulfid- und/oder Halogenidsalzen, (b) Abwiegen der Ausgangsmaterialien in den Mengen gemäß der angegebenen Stöchiometrie in der allgemeinen Formel (I) des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis nach Anspruch 1; (c) erstes Mahlen der abgewogenen Mengen der Ausgangsmaterialien in einer Kugelmühle bei 300 bis 500 U/min für mehr als 10 h; (d) zweites Mahlen der in Schritt (c) erhaltenen Mischung bei 500 bis 800 U/min in einer Kugelmühle für weniger als 10 h und (e) Erhalten des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis, wobei die Schritte (b), (c) und (d) in Inertgasatmosphäre unter Feuchtigkeitsausschluss oder im Vakuum unter Feuchtigkeitsausschluss durchgeführt werden.A process for producing the sulfide-based solid electrolyte according to any one of Claims 1 until 4 comprising the steps of: (a) providing the starting materials of the sulfide-based solid electrolyte, preferably in the form of sulfide and/or halide salts, (b) weighing the starting materials in the amounts according to the stated stoichiometry in the general formula (I) of the sulfide-based solid electrolyte according to Claim 1 ; (c) first grinding the weighed amounts of the starting materials in a ball mill at 300 to 500 rpm for more than 10 h; (d) second grinding the mixture obtained in step (c) at 500 to 800 rpm in a ball mill for less than 10 h and (e) obtaining the sulfide-based solid electrolyte, wherein steps (b), (c) and (d) are carried out in an inert gas atmosphere with exclusion of moisture or in a vacuum with exclusion of moisture. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlen in Schritt (c) bei 300 bis 450 U/min, bevorzugter bei 350 bis 450 U/min, insbesondere bei 400 U/min durchgeführt wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the grinding in step (c) is carried out at 300 to 450 rpm, more preferably at 350 to 450 rpm, in particular at 400 rpm. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (c) das Mahlen in der Kugelmühle für eine Dauer im Bereich von 11 h bis 18 h, bevorzugt 11 h bis 16 h, bevorzugter 11 h bis 14h oder 11 h bis 13h oder 11 h bis 12 h, insbesondere 11 h durchgeführt wird.Procedure according to Claim 5 or 6 , characterized in that in step (c) the grinding in the ball mill is carried out for a duration in the range of 11 h to 18 h, preferably 11 h to 16 h, more preferably 11 h to 14 h or 11 h to 13 h or 11 h to 12 h, in particular 11 h. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlen in Schritt (d) bei 500 bis 750 U/min eingesetzt, bevorzugter 500 bis 700 U/min, noch bevorzugter 550 bis 700 U/min, insbesondere werden etwa 650 U/min durchgeführt wird.Method according to one of the Claims 5 until 7 , characterized in that the grinding in step (d) is carried out at 500 to 750 rpm, more preferably 500 to 700 rpm, even more preferably 550 to 700 rpm, in particular about 650 rpm. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (d) das Mahlen in der Kugelmühle für eine Dauer im Bereich von 3 h bis 9 h, bevorzugt 4 h bis 8 h, bevorzugter 5 h bis 7 h, noch bevorzugter 5 h bis 6 h, insbesondere 5,5 h durchgeführt wird.Method according to one of the Claims 5 until 8 , characterized in that in step (d) the grinding in the ball mill is carried out for a duration in the range of 3 h to 9 h, preferably 4 h to 8 h, more preferably 5 h to 7 h, even more preferably 5 h to 6 h, in particular 5.5 h. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (b) und vor Schritt (c) ein Mischen der Ausgangsmaterialien unter Inertgasatmosphäre und Feuchtigkeitssauschluss oder im Vakuum unter Feuchtigkeitsausschluss durchgeführt wird.Method according to one of the Claims 5 until 9 , characterized in that after step (b) and before step (c) mixing of the starting materials is carried out under an inert gas atmosphere and exclusion of moisture or in a vacuum with exclusion of moisture. Verwendung des Festkörperelektrolyts auf Sulfidbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Festkörperbatteriezelle.Use of the sulfide-based solid electrolyte according to one of the Claims 1 until 4 in a solid-state battery cell. Festkörperbatteriezelle, umfassend den Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Festkörperbatteriezelle insbesondere eine Zelle mit hoher Leistungsabgabe darstellt.A solid-state battery cell comprising the sulfide-based solid electrolyte according to any one of Claims 1 until 4 , wherein the solid-state battery cell is in particular a cell with high power output. Festkörperbatteriezelle, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperbatteriezelle eine Kathoden-Materialschicht, eine Anoden-Materialschicht sowie eine dazwischen angeordnete Elektrolytschicht aufweist, wobei der Festkörperelektrolyt auf Sulfidbasis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer, zwei oder allen drei Schichten vorhanden ist.Solid-state battery cell, according to Claim 12 , characterized in that the solid-state battery cell comprises a cathode material layer, an anode material layer and an electrolyte layer arranged therebetween, wherein the sulfide-based solid-state electrolyte is selected according to a the Claims 1 until 3 present in one, two or all three layers. Festkörperbatteriezelle nach Anspruch 12 oder 13 in Form einer Primärbatterie oder einer Sekundärbatterie.Solid-state battery cell according to Claim 12 or 13 in the form of a primary battery or a secondary battery.
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