[发明专利]一种基于原子层沉积的全固态氟离子电池的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于原子层沉积的全固态氟离子电池的制备方法，以玻璃或硅片为衬底，采用原子层沉积方法依次沉积金属薄膜作为正极集流体，沉积金属氟化物薄膜作为正极活性物质，沉积氟化物薄膜作为固态电解质，沉积金属薄膜作为负极及负极集流体薄膜，完成全固态氟离子电池的制备。使用本发明提供方法制备的全固态氟离子电池,其离子电导率可达10^‑5～10^‑4S/cm；充放电100次后，容量保持率依然在95％以上。

技术领域

本发明属于电能源材料技术领域，特别是涉及一种基于原子层沉积的全固态氟离子电池的制备方法。

背景技术

目前，商业化的二次电池主要以锂离子电池技术为主。锂离子电池是采用储锂化合物作为正、负极材料构成的二次电池，当电池循环时，锂离子(Li+)在正负极之间进行交换。随着近年来锂离子电池技术的不断发展和新材料的不断开发，锂离子电池已经广泛应用于便携式电子装置、电动车辆、航空航天等领域。然而其能量密度、循环寿命、环境相容性等性能指标在面对上述领域飞速发展所提出的越来越高的要求时，还不能完全应对自如。特别是其快速充放电的能力和因电解液分解而带来的安全性隐患，已经成为越来越突出的两大争论热点。此外，大规模应用下锂的可获得性也是大家非常关注的一个问题。因此研究人员在不断改进锂离子电池技术的同时也在积极探索新的替代技术。基于阴离子的的氟离子电池和基于阳离子的钠基电池、镁基电池、铝基电池等新型设计都取得了不错的进展。在这当中，氟离子电池因其高能量密度和其对安全性的大幅提升而得到了特别的关注。

氟离子电池是一种以含氟化物电解质、金属阳极以及金属氟化物阴极组成的、不含锂或锂离子的二次电池，当电池循环时，氟阴离子(F^-)在正负极之间进行交换，充当离子迁移介质。氟阴离子在两极间转化的过程中，其自由能具有非常大的变化，因此氟离子电池具有非常高的理论电位。同时，当阴极材料为二元或三元金属氟化物时，每个金属原子的反应可以获得多个电子，从而使氟离子电池具有更高的能量密度。研究表明，氟离子电池的理论能量密度可以高达5000Wh/L，比锂空气电池的理论能量密度高出大约50％。此外，氟离子电池可以使用固态晶体做为其电解质材料。这种全固态的组成形式可以有效避免现有锂离子电池中存在的因电解液分解泄露而产生的安全隐患。

发明内容

本发明提出了一种全固态氟离子电池的制备方法，该制备方法能有效提升制备出的固态电解质的致密性并改善电极/电解质界面的接触效果；从而有效降低全固态薄膜氟离子电池阻抗，提高全固态氟离子电池性能；同时该制备方法操作简单、易于推广。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于原子层沉积的全固态氟离子电池的制备方法，以玻璃或硅片为衬底，采用原子层沉积方法依次沉积金属薄膜作为正极集流体，沉积金属氟化物薄膜作为正极活性物质，沉积氟化物薄膜作为固态电解质，沉积金属薄膜作为负极及负极集流体薄膜，完成全固态氟离子电池的制备。

所述正极集流体为金属薄膜，采用原子层沉积方法分别以氢气和Sn、Cu、In、Ag或Ti金属的前驱体为原材料进行沉积制备，并通过调整原子层沉积过程中各前驱体的剂量、反应、清洗时间参数将沉积薄膜的厚度控制在0.02μm-0.1μm之间。

所述正极活性物质为金属氟化物薄膜，采用原子层沉积方法分别以SnF₂、CuF₂、InF₃、SrF₂、YF₃或FeF₃氟化物对应的前驱体为原材料进行沉积制备，并调整原子层沉积过程中各前驱体的剂量、反应、清洗时间参数将沉积薄膜的厚度控制在0.02μm-0.1μm之间。