一种固态氟离子电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及化学电源，更具体地涉及一种固态氟离子电池及其制备方法。

背景技术

目前广泛使用的锂离子电池经过多年的发展，目前已面临能量密度的瓶颈。加上全球锂资源分布不均匀，导致锂电池的成本进一步升高。此外，在锂离子电池过充、大倍率充放电条件下存在锂金属析出的风险，带来了一系列安全问题。

在众多新型电化学体系中，固态氟离子电池相比较目前其它的电池体系，近年来受到人们的广泛关注。

首先，固态氟离子电池具有更高的安全性。固态氟离子电池使用不可燃无机固态电解质，因不含有有机电解液成分，相比较目前广泛使用的液态锂离子电池具有更高的安全性。此外，由于氟是电负性最强的元素，导致氟离子很难形成相应的单质，在充放电过程中，氟离子在正负极之间穿梭，不会发生类似锂离子形成锂金属枝晶的反应，进而避免由此带来的安全风险，安全性得到极大提升。

其次，固态氟离子电池具有高能量密度。金属和金属氟化物之间的氧化还原反应伴随着多电子转移过程，其构筑的氟离子电池的理论能量密度高达5000Wh L

而且，固态氟离子电池具有低成本优势。氟元素的地壳丰度是锂元素的50倍左右，因此氟离子电池在原材料供应方面的压力将远低于锂离子电池。

固态氟离子电池的关键材料包括正极材料、负极材料和固态电解质材料，受限于正负极材料的理化性质(即氧化还原电位)，即电极材料发生电化学反应的电极电位受化学反应热力学和动力学因素共同决定而无法调控，导致目前已知的固态氟离子电池的输出电压较低，绝大数氟离子电池输出电压小于3V。此外，氟离子固体电解质电压窗口将限制整个氟离子电池的输出电压。这些因素都降低了氟离子电池的工作电压和能量密度。

根据电池体系能量密度计算公式，质量能量密度等于质量比容量乘以平均输出电压。固态氟离子电池的能量密度取决于电池体系的输出电压。电池体系的输出电压越高，对应能量密度越高。也就是说，目前已知的固态氟离子电池的输出电压较低，严重限制了氟离子电池的能量密度和使用场景。

发明内容

为了解决上述现有技术中的输出电压和能量密度较低等问题，本发明提供一种固态氟离子电池及其制备方法。

根据本发明的固态氟离子电池，其包括相互堆叠串联的至少两个电池单元，每个电池单元包括固体电解质和分别位于固体电解质的相对两侧的负极侧和正极侧，负极侧包括负极材料和负极集流体，正极侧包括正极材料和正极集流体，其中一个电池单元的负极集流体叠置在另一个电池单元的正极集流体上，该固态氟离子电池包括相互堆叠串联的2-20个电池单元，该固态氟离子电池的平均输出电压为6-50V。

优选地，固体电解质为纯LaF

优选地，负极材料为La，Bi，Mg或Al。

优选地，正极材料为CuF

优选地，负极集流体为W或Pt，正极集流体为Pt或Cu。

优选地，固体电解质的厚度为0.2-1mm，负极集流体或正极集流体的厚度为1-20μm。

优选地，负极材料的厚度为10-50μm，正极材料的厚度为0.2-5mm。

根据本发明的上述的固态氟离子电池的制备方法，其包括构筑单个电池单元，至少两个电池单元通过堆叠的方式实现电池单元内部串联。

优选地，电池单元为通过磁控溅射构筑的W/La||LaF

优选地，电池单元为通过流延和共烧结法构筑的Pt/La||LaF

根据本发明的固态氟离子电池，通过内部串联的方式，表现出高输出电压、高能量密度等优点，极具产业化应用前景。与现有技术中的锂离子电池需要在小于60℃环境下工作相比，根据本发明的固态氟离子电池为高温电池，可以在150-200℃环境下工作。总之，根据本发明的固态氟离子电池，具有高输出电压、高能量密度、成本低廉、工艺简单、高安全并且具有良好的电化学性能。

附图说明

图1是根据本发明的实施例1的固态氟离子电池的结构示意图。

图2是根据本发明的实施例2的固态氟离子电池的结构示意图。

图3是根据本发明的实施例3的固态氟离子电池的结构示意图。

图4是根据本发明的实施例4的固态氟离子电池的结构示意图。

图5是根据本发明的实施例5的固态氟离子电池的结构示意图。

图6是根据本发明的实施例6的固态氟离子电池的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

根据本发明的固态氟离子电池包括相互堆叠串联的至少两个电池单元，每个电池单元包括固体电解质和分别位于固体电解质的相对两侧的负极侧和正极侧，其中一个电池单元的负极侧叠置在另一个电池单元的正极侧上。通过将电池单元串联，可以提升固态氟离子电池的输出电压，进而提升固态氟离子电池的能量密度。

串联的电池单元的数目被称为串联数。优选地，电池的串联数为2-20个。通过调整串联数，可以实现电池体系的平均输出电压为6-50V。实际上，相较于已知的不超过3V输出电压的已知固态氟离子电池，本发明通过固态层叠单元的相互堆叠实现内部串联，单体电压可以达到10V以上。

优选地，固体电解质为LaF

负极侧包括负极材料和负极集流体。优选地，负极材料为La。应该理解，负极材料也可以为Bi，Mg，Al等其它金属材料。在优选的实施例中，负极集流体为W或Pt。

正极侧包括正极材料和正极集流体。优选地，正极材料为CuF

根据本发明的固态氟离子电池的制备方法包括构筑单个电池单元，至少两个电池单元通过堆叠的方式实现电池单元内部串联，从而实固态氟离子电池的输出电压的成倍提升。

优选地，电池单元通过磁控溅射构筑。应该理解，电池单元也可以通过流延和共烧结法等构筑。在优选的实施例中，电池单元为通过磁控溅射构筑的W/La||LaF

根据本发明的制备方法得到的固态氟离子电池，为多层软包电池。比起之前卷绕的工艺和形状，多层软包电池的形状和工艺更加适合固态氟离子电池。因为大多数固态氟离子电解质为无机化合物，机械强度较高且不易弯曲。因此，根据本发明的制备方法得到的多叠层软包氟离子电池，在保证电化学性能的同时降低工艺难度。

总之，根据本发明的制备方法得到的固态氟离子电池，不但可以简化电池组装流程，提升电池组装效率，降低成本，而且可以实现在单体电池上电压的成倍提升，进而提升固态氟离子电池的电化学性能，包括输出电压、能量密度等。而且，根据本发明的制备方法得到的固态氟离子电池，具有超高安全性。

实施例1

如图1所示，本实施例的电池由相互堆叠串联的两个电池单元(W/La||LaF

固体电解质薄膜LaF

实施例2

如图2所示，本实施例的电池由相互堆叠串联的三个电池单元(W/La||LaF

固体电解质薄膜LaF

实施例3

如图3所示，本实施例的电池由相互堆叠串联的四个电池单元(W/La||LaF

固体电解质薄膜LaF

实施例4

如图4所示，本实施例的电池由相互堆叠串联的两个电池单元(Pt/La||LaF

固体电解质薄膜LaF

实施例5

如图5所示，本实施例的电池由相互堆叠串联的三个电池单元(Pt/La||LaF

固体电解质薄膜LaF

实施例6

如图6所示，本实施例的电池由相互堆叠串联的四个电池单元(Pt/La||LaF

固体电解质薄膜LaF

下表1给出上述实施例1-实施例6的采用不同内串数和不同工艺构筑的电池的主要性能指标。

表1

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。