[發明專利]一種基于原子層沉積的全固態氟離子電池的制備方法

有效

• 申請號: 201811624880.4
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109841897B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 石彬;丁飛;王勝利;任麗彬
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十八研究所
• 主分類號: H01M10/054
• 分類號: H01M10/054;H01M4/58;H01M10/0562;H01M4/66
• 代理公司: 天津市鼎和專利商標代理有限公司 12101
• 代理人: 李鳳

本發明公開了一種基于原子層沉積的全固態氟離子電池的制備方法，以玻璃或硅片為襯底，采用原子層沉積方法依次沉積金屬薄膜作為正極集流體，沉積金屬氟化物薄膜作為正極活性物質，沉積氟化物薄膜作為固態電解質，沉積金屬薄膜作為負極及負極集流體薄膜，完成全固態氟離子電池的制備。使用本發明提供方法制備的全固態氟離子電池,其離子電導率可達10^?5～10^?4S/cm；充放電100次后，容量保持率依然在95％以上。

技術領域

本發明屬于電能源材料技術領域，特別是涉及一種基于原子層沉積的全固態氟離子電池的制備方法。

背景技術

目前，商業化的二次電池主要以鋰離子電池技術為主。鋰離子電池是采用儲鋰化合物作為正、負極材料構成的二次電池，當電池循環時，鋰離子(Li+)在正負極之間進行交換。隨著近年來鋰離子電池技術的不斷發展和新材料的不斷開發，鋰離子電池已經廣泛應用于便攜式電子裝置、電動車輛、航空航天等領域。然而其能量密度、循環壽命、環境相容性等性能指標在面對上述領域飛速發展所提出的越來越高的要求時，還不能完全應對自如。特別是其快速充放電的能力和因電解液分解而帶來的安全性隱患，已經成為越來越突出的兩大爭論熱點。此外，大規模應用下鋰的可獲得性也是大家非常關注的一個問題。因此研究人員在不斷改進鋰離子電池技術的同時也在積極探索新的替代技術。基于陰離子的的氟離子電池和基于陽離子的鈉基電池、鎂基電池、鋁基電池等新型設計都取得了不錯的進展。在這當中，氟離子電池因其高能量密度和其對安全性的大幅提升而得到了特別的關注。

氟離子電池是一種以含氟化物電解質、金屬陽極以及金屬氟化物陰極組成的、不含鋰或鋰離子的二次電池，當電池循環時，氟陰離子(F^-)在正負極之間進行交換，充當離子遷移介質。氟陰離子在兩極間轉化的過程中，其自由能具有非常大的變化，因此氟離子電池具有非常高的理論電位。同時，當陰極材料為二元或三元金屬氟化物時，每個金屬原子的反應可以獲得多個電子，從而使氟離子電池具有更高的能量密度。研究表明，氟離子電池的理論能量密度可以高達5000Wh/L，比鋰空氣電池的理論能量密度高出大約50％。此外，氟離子電池可以使用固態晶體做為其電解質材料。這種全固態的組成形式可以有效避免現有鋰離子電池中存在的因電解液分解泄露而產生的安全隱患。

發明內容

本發明提出了一種全固態氟離子電池的制備方法，該制備方法能有效提升制備出的固態電解質的致密性并改善電極/電解質界面的接觸效果；從而有效降低全固態薄膜氟離子電池阻抗，提高全固態氟離子電池性能；同時該制備方法操作簡單、易于推廣。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于原子層沉積的全固態氟離子電池的制備方法，以玻璃或硅片為襯底，采用原子層沉積方法依次沉積金屬薄膜作為正極集流體，沉積金屬氟化物薄膜作為正極活性物質，沉積氟化物薄膜作為固態電解質，沉積金屬薄膜作為負極及負極集流體薄膜，完成全固態氟離子電池的制備。

所述正極集流體為金屬薄膜，采用原子層沉積方法分別以氫氣和Sn、Cu、In、Ag或Ti金屬的前驅體為原材料進行沉積制備，并通過調整原子層沉積過程中各前驅體的劑量、反應、清洗時間參數將沉積薄膜的厚度控制在0.02μm-0.1μm之間。

所述正極活性物質為金屬氟化物薄膜，采用原子層沉積方法分別以SnF₂、CuF₂、InF₃、SrF₂、YF₃或FeF₃氟化物對應的前驅體為原材料進行沉積制備，并調整原子層沉積過程中各前驅體的劑量、反應、清洗時間參數將沉積薄膜的厚度控制在0.02μm-0.1μm之間。