二级固态电源制造技术

本发明专利技术应用：在电气设备中作为二级电源（蓄电池）。发明专利技术本质：固态二级电源，由金属或金属的合金形式的正极（Ａｎ↑［０］）（其氟化导致产生具有高等压产生电势的一种氟化物或多种氟化物）、具有高离子传导性和低电子传导性的固体氟离子导体形式的电解质、和一种氟化物或多种氟化物的固溶体形式的具有低等压产生电势的负极（ＫｔＦ↑［０］）组成，放电过程中负极反应是ＫｔＦ↑［０］＋ｅ↑［－］→Ｆ↑［－］＋Ｋｔ′，放电过程中正极反应是Ａｎ↑［０］＋Ｆ↑［－］→Ａｎ′Ｆ＋ｅ↑［－］，其中，正极和负极在比固体电解质分解的电压低的电压下对氟离子是可逆的，此时在充电－放电过程中的负极反应为Ｋｔ↑［０］Ｆ↓［ｘ］＋Ｘｅ↑［－］ＸＦ↑［－］＋Ｋｔ′，并且在充电－放电过程中的正极反应为Ａｎ↑［０］＋ＸＦ↑［－］Ａｎ′Ｆ＋ｅ↑［－］，并且正极、电解质和负极在它们的组成中包含至少一种在充电／放电循环中防止固态电池被破坏的成分。技术结果：二级固态电源的组成能够实现二级电池的高比能量特性以及大量的充电／放电循环数，确保它们的使用安全性和电能的长久保持。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电学领域，尤其涉及二级电源(蓄电池)，用于远程通讯系统 (telecomunication system)的电子和微电子设备，便携式计算机，电动车辆等，它 们要求安全的可再充电的具有高能量和低自放电的电池。以下参数可以被认为是 对二级电池广泛应用领域而言^艮有前途的参数比能量为500 Wh/kg 能量密度为600 Wh/dm3 充电/放电循环数约为1000 自放电约为1-3 %/年。但是，最高的比能量参数会引起安全问题，而安全问题是对这些电化学电池 而言至关重要的问题。高级电池的能量密度约为500 - 1000 Wh/dm3或1.8-3.6 kJ/cm3。这些值与一些爆炸物的爆炸转化能量差不多，例如TNT 6.7 kJ/cm3 (A.A. Potanin. Solid State Chemical Battery with LaF3— Like Ionic Cnoducors. 〃 Russ. Chem. Joum, (J. of Mend. Russ. Chem. Soc.), 2001, v.45, M^5-6, pp.58-63)。因此，具有固态 正极、电解质和负极以及在充电/放电过程中在所述的负极和正极之间产生反应的 固相电流的固态电源，是具有高比能量参数的众所周知的电化学电池中最有前途 的。基于固态氟化物离子导体的固态氟化物离子电源，因其高能量和安全性，而 在这些电化学电池当中是值得注意的，(A.A. Potanin. Solid State Chemical Battery with LaF3 — .Like Ionic Conductors. 〃 Russ. Chem. J()urn. (J. of Mend. Russ. Chem. Soc.) 2001, v.45, ^5-6,pp.58-63)。
技术介绍
基于氟离子(对其而言，充电和放电过程是可能的)的固体导体的固态电源 是已知的。具体而言，在放电状态存在以下组成的电源现在是已知的(na'reHTBejraKo6pnTaHHnNo 1524126， H01M 6/18, 10/36, ony6ji. 06.09.78 ),即C /PbF2 (具有KF添加剂)/ AgPb /PbF2 (具有KF添力口剂)/ AgPb / PbF2 (具有KF添加剂)/ CuC/ PbF2 (具有KF添力口剂)/ CuC/ PbF2 (具有KF添加剂)/ C,而在充电状态存在以下组成 Pb / PbF"具有KF添力口剂)/ AgF/ Ag Pb/ PbF2 (具有KF添加剂)/ CuF2/ Cu Pb/ PbF2 (具有KF添力口剂)/ PbF2/ C。这些电池的固体电解质是基于氟化铅以及氟化钾添加剂的复合型氟化物。在 这些电池中J吏用的Pb/AgF电才及对的特征在于电才及过程的可逆性。因此，上述电池 可以用作初级电池和二级电池。不过，该二级电池的应用的特.征在于低能量。J氐 能量值可以解释为由于在充电过程中由氟化铅组成的固体电解质电解和随后在正 极上形成Pb而致使电解质层破坏和短路。这导致的结果是，在执行充电循环过程 中可以实现低充电容量，结果是电源具有低电容。给定设备的电容增加只有通过 尺寸(dimensions)增加才可以实现，这不总是可允许的和合理的，因为在此情况下 电源具有非常低的特性(specific characteristics )。对以上熟知的电源而言，比能 量为0.45 W.h/kg,能量密度为3.6 W.h/dm3,这明显j氐于4臬-镉蓄电池(70 W.h/kg， 120W.h/dm3),或者锂离子蓄电池(130 W'h/kg和300 W.h/dm3 )。在另一已知的电源(RF专利号2187178 H01M 6/18， 10/36， 10.08.02公布)中， 可以略微增加比能量特性，并接近于镍-镉电池的相同参数。该电源由基于Pb的正 极、氟化银形式的负极和传导氟离子的电解质组成。所述电解质是稀土金属的一 种氟化物(例如LaF3)和碱土金属的一种氟化物(例如BaF2)以及和碱金属的至 少一种氟化物(例如KF或LiF)所组成的混合物。该授予专利的原电池具有诸如 35 W.h/kg和250 W.h/ dm3的比参数。这些对于预期的应用而言是相当低的特性。前述熟知的电池的缺点是它们的低能量参数，这与氟化物和正极中的铅之间 相互作用的低能量有关。理论上，正极中这种相互作用的能量为219 A.h/kg (正极重量)和26.2 A.h/dm3 (正极重量)。此外，这些电池具有低开路电压(OCV)-约I.2-1.3 V。而且，上述二级固态电池具有一些在充电/放电过程中在正极和负极结构中以 及在正极/电解质和负极/电解质界面处产生的问题，还没有被解决。这些问题与以 下事实有关，在充电过程的正极反应PbF2 + 2e- e 2F- + Pb过程中，由于PbF2和Pb 密度的差异，固相体积减少37% (在放电过程中，其相应增加)，以及例如在充电过 程的负极反应Ag + 2F e AgF2 + 2e冲，固相体积增加l 10% (在放电过程中，其相 应减少)。所述改变对于固相过程而言是至关重要的，并且甚至在几次充电/放电循 环后就会导致电源破坏。因此，声称上述电池属于二级电池类完全是相对性的。因此，上述熟知的固态电池(其中充电和放电过程都能实现)具有以下缺点低比能量参数。这些电池不能被用于远程通讯系统的电子设备和微电子设 备，便携式计算机，电动车辆等，它们要求安全的具有高能量的二级电池。不可能多次充电/放电循环。这些电池具有由充电/放电循环下负极材料和正 极材料的密度改变所引起的机械强度问题。高能量固态氟离子电源是已知的(A.A. Potanin. Solid State Chemical Battery with LaF3 — Like Ionic Conductors. 〃 Russ. Chem. Joum. (J. of Mend.Russ. Chem. Soc.), 2001, v.45, W25-6，pp,58-63)。在该文中，电池结构如下(正极/电解质/负极)La/TLaF3-BaF2/BiF3-KF,La/LaF3-BaF2/PbF2-KF，Ce/CeF3-SrF2/BiF3-KF，Ce/CeFrSrF2/ PbF2-KF。 在放电过程中，在电化学电源如La/LaF3-BaF2/BiF3-KF中发生以下电极反应，即在正极 La + 3F— —> LaF3 + 3e —在负极 BiF3 + 3e' -) Bi + 3F-。如果负极材料是PbF2-KF固态溶液，则发生以下的基本负极反应2pbF2 + 3e—lPb + 3F—。 2 2通过以下事实确认实现了这样的化学过程，热力学计算的Electric Driving Force (EDF)符合电源开路电压(OCV)的试验值。将一些金属氧化物，例如CuO、 V205、 Mn02、 Ag20、 Pb02引入基于BiF3和 PbF2固态溶液的负极中导致相似的电池中比能量升高(RF专利号2136083, H01M6/18，在信息公报号24， 1999, US专利号本文档来自技高网...

【技术保护点】
二级固态电源，其组成如下：金属或合金形式的正极（Ａｎ↑［０］），该正极的氟化导致形成具有高等压形成电势的一种氟化物或多种氟化物、具有高离子传导性和低电子传导性的固体氟化物离子导体形式的电解质、和基于一种氟化物或基于多种氟化物固溶体的具有低等压形成电势的固体负极（ＫｔＦ↑［０］）；其中放电负极反应是ＫｔＦ↑［０］＋ｅ↑［－］→Ｆ↑［－］＋Ｋｔ′，正极放电反应是Ａｎ↑［０］＋Ｆ↑［－］→Ａｎ′Ｆ＋ｅ↑［－］，其特征在于，所述正极和负极在比固体电解质的分解电压更低的电压下，对氟离子是可逆的，此时其放电负极反应为ＫｔＦ↑［０］＋Ｘｅ↑［－］→Ｆ↑［－］＋Ｋｔ′，放电正极反应为Ａｎ↑［０］＋ＸＦ↑［－］→Ａｎ′Ｆ＋ｅ↑［－］；并且所述正极、电解质和负极包括至少一种在充电／放电循环中防止电池破坏的成分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大阿尔卡季叶维奇波塔宁，
申请(专利权)人：波塔宁协会有限公司，
类型：发明
国别省市：IE[爱尔兰]