一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质及其制备方法和一种室温固态氟离子电池技术

本发明专利技术提供了一种基于Nd

An electrolyte based on Nd3 + and / or Eu3 + doping and its preparation method and a room temperature solid state fluoride ion battery

【技术实现步骤摘要】
一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质及其制备方法和一种室温固态氟离子电池
本专利技术涉及新能源材料与器件
，特别涉及一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质及其制备方法和一种室温固态氟离子电池。
技术介绍
新能源产业的高速发展对新能源材料与器件的能量密度和安全性提出了更高的要求，现有锂离子电池储能体系已经无法满足要求，一些新型储能电池体系如钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、氯离子电池和氟离子电池等已经得到科学界和产业界的广泛关注。在这些新型电池体系中，氟离子电池(FIBs)因为理论能量密度高、安全性高得到研究者们的青睐，氟离子电池理论体积能量密度高达5000Wh·L-1。与锂离子电池、钠离子电池等传统电池体系不同，氟离子电池是通过阴离子F-在氟离子导体中穿梭来实现正负极之间的能量转换，简言之在氟离子电池中F-是充放电过程中的载流子。AnjiReddy和Fichtner课题组将LaF3和BaF2混合，用球磨的方法制备具有氟离子选择性通过的氟铈矿结构的La0.9Ba0.1F2.9(LBF10)，并成功应用于固态氟离子电池，这也是固态氟离子电池首次得到证实。该氟铈矿结构的LBF10电解质在160℃条件下离子电导率才能达到2.8×10-4S·cm-1，其室温离子电导率极低，这限制了固态氟离子电池的进一步发展。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质及其制备方法和一种室温固态氟离子电池，本专利技术提供的基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质室温离子电导率高，能成功应用于室温固态氟离子电池的制备。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质，化学组成为Ba1-xMxSnF4+X，M为Nd和/或Eu，0＜x≤0.5。优选的，当M为Nd和Eu时，所述Nd和Eu的摩尔比为1：0～0.5。本专利技术提供了一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质的制备方法，包括以下步骤：(1)提供前驱体粉末；所述前驱体粉末的制备方法包括以下步骤：将BaF2、SnF2和MF3混合，依次进行高能球磨和干燥，得到前驱体粉末；所述MF3为NdF3和/或EuF3；或包括以下步骤：将Ba的可溶性盐、Sn的可溶性盐、M的可溶性盐与水、可溶性氟盐在搅拌的条件下进行沉淀反应，将所述沉淀反应的产物依次进行固液分离、洗涤和干燥，得到前驱体粉末；所述M为Nd和/或Eu；(2)将所述前驱体粉末进行烧结，得到基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质。优选的，所述BaF2、SnF2和MF3的摩尔比为[0.5～1)：(0～0.5]：(4～4.5]；所述Ba的可溶性盐、Sn的可溶性盐和M的可溶性盐的摩尔比为[0.5～1)：(0～0.5]：(4～4.5]。优选的，所述高能球磨的转速为500～5000rpm，时间为0.5～30h；所述干燥的温度独立地为40～100℃，时间独立地为2～10h。优选的，所述可溶性氟盐为NH4F、NaF和KF中的一种或几种，所述可溶性氟盐的添加系数为1～2.0。优选的，所述沉淀反应的时间为0.5～20h，所述搅拌的转速为100～1000rpm。优选的，所述烧结的温度为200～600℃，时间为2～20h。本专利技术提供了一种室温固态氟离子电池，包括正极、固态电解质和负极，所述固态电解质为上述基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质；所述正极的材料包括金属氟化物，所述负极的材料包括活性金属。优选的，所述金属氟化物为CaF2、LaF3、CeF3、BiF3、MgF2、MnF3、FeF3、CuF2、PbF2及它们的掺杂物中的一种或几种；所述活性金属为Cu、Ag、Ni、Co、Pb、Ce、Mn、Au、Pt、Rh、V、Os、Ru、Fe、Cr、Bi、Nb、Sb、Ti、Sn、Zn和Li中的一种或几种。本专利技术提供了一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质，化学组成为Ba1-xMxSnF4+X，M为Nd和/或Eu，0＜x≤0.5。本专利技术采用高价态、小原子半径的稀土金属离子Nd3+和/或Eu3+掺杂取代层状氟离子电解质BaSnF4中的Ba2+，能够在BaSnF4结构中引入缺陷或间隙，能够进一步提高室温固态电解质的氟离子电导率。实施例结果表明，本专利技术所得基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质室温离子电导率能够达到1～9×10-4S·cm-1。本专利技术提供了一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质的制备方法，此法简单易于操作，可以实现工业化大批量生产。本专利技术提供了一种室温固态氟离子电池，此电池使用上述基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质作为电解质，能够在室温下表现出较好的充放电性能。附图说明图1为实施例1中共沉淀法制备的Ba0.98Nd0.02SnF4.02前驱体粉末烧结前后的XRD图；图2为实施例1中Ba0.98Nd0.02SnF4.02电解质片的实物图，其中(a)为电解质片的直径测量图，(b)为电解质片的截面SEM图；图3为实施例1中Ba0.98Nd0.02SnF4.02电解质在不同温度下的阻抗图；图4为实施例1中BiF3/Ba0.98Nd0.02SnF4.02/Sn室温固态氟离子电池在12.7μA·cm-2电流密度下的充放电曲线；图5为实施例2中Ba0.94Eu0.06SnF4.06电解质在30℃的阻抗图；图6为实施例3中Ba0.95Eu0.05SnF4.05电解质在30℃的阻抗图；图7为实施例4中Ba0.9Nd0.1SnF4.1电解质在30℃的阻抗图。具体实施方式本专利技术提供了一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质，化学组成为Ba1-xMxSnF4+X，M为Nd和/或Eu，0＜x≤0.5。在本专利技术中，所述x的优选范围为0.05≤x≤0.1。在本专利技术中，当M为Nd和Eu时，所述Nd和Eu的摩尔比为1：0～0.5，优选为1：0.2～0.4。在本专利技术的具体实施例中，所述基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质的化学组成优选为Ba0.98Nd0.02SnF4.02、Ba0.94Eu0.06SnF4.06、Ba0.95Eu0.05SnF4.05和Ba0.9Nd0.1SnF4.1中的一种或几种。本专利技术采用高价态、小原子半径的稀土金属离子Nd3+和/或Eu3+掺杂取代层状氟离子电解质BaSnF4中的Ba2+，能够在BaSnF4结构中引入缺陷或间隙，能够进一步提高固态电解质的室温氟离子电导率，其室温氟离子电导率为1～9×10-4S·cm-1。本专利技术提供了一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质，包括以下步骤：(1)提供前驱体粉末；所述前驱体粉末的方法包括以下步骤：将BaF2、SnF2和MF3混合，依次进行高能球磨和干燥，得到前驱体粉末；所述MF3为NdF3和/或EuF3；或包括以下步骤：...

【技术保护点】
1.一种基于Nd

【技术特征摘要】
1.一种基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质，化学组成为Ba1-xMxSnF4+X，M为Nd和/或Eu，0＜x≤0.5。


2.根据权利要求1所述的基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质，其特征在于，当M为Nd和Eu时，所述Nd和Eu的摩尔比为1：0～0.5。


3.权利要求1或2所述的基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供前驱体粉末；
所述前驱体粉末的制备方法包括以下步骤：将BaF2、SnF2和MF3混合，依次进行高能球磨和干燥，得到前驱体粉末；所述MF3为NdF3和/或EuF3；
或包括以下步骤：
将Ba的可溶性盐、Sn的可溶性盐、M的可溶性盐与水、可溶性氟盐在搅拌的条件下进行沉淀反应，将所述沉淀反应的产物依次进行固液分离、洗涤和干燥，得到前驱体粉末；所述M为Nd和/或Eu；
(2)将所述前驱体粉末进行烧结，得到基于Nd3+和/或Eu3+掺杂的电解质。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述BaF2、SnF2和MF3的摩尔比为[0.5～1)：(0～0.5]：(4～4.5]；
所述Ba的可溶性盐、Sn的可溶性盐和M的可溶性盐的摩尔比为[0.5～1)：(0～0.5]：(4～4.5]。


5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高能球...

【专利技术属性】
技术研发人员：王先友，刘磊，谢鑫，曹爽，刘敏，陈曼芳，阳立，邵鼎盛，罗凯丽，邹长飞，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43