DE102017121785B4 - Fluorid-Ionen-Batterie und Verfahren zur Herstellung der Fluorid-Ionen-Batterie - Google Patents

Fluorid-Ionen-Batterie und Verfahren zur Herstellung der Fluorid-Ionen-Batterie Download PDF

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Abstract

Fluorid-Ionen-Batterie, umfassend:eine Elektrodenschicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist;eine Festkörperelektrolytschicht, enthaltend ein Festkörperelektrolytmaterial, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; undeinen Anodenstromkollektor in dieser Reihenfolge; und wobeikeine Anodenaktivmaterialschicht zwischen der Festkörperelektrolytschicht und dem Anodenstromkollektor vorhanden ist; unddie Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet,wobei die Fluorid-Ionen-Batterie ferner einen bipolaren Aufbau aufweist, in dem eine Mehrzahl der Elektrodenschichten und der Festkörperelektrolytschichten alternierend angeordnet sind.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Fluorid-Ionen-Batterie und ein Verfahren zur Herstellung der Fluorid-Ionen-Batterie.
  • Bisheriger Stand der Technik
  • Als Batterien bzw. Akkumulatoren hoher Spannung und hoher Energiedichte sind beispielsweise Li-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren bekannt. Die Li-Ionen-Batterie ist eine Kationen-basierte Batterie, welche Li-Ionen als den Träger nutzt. Indes sind als Anionen-basierte Batterien Fluorid-Ionen-Batterien bekannt, welche Fluoridionen als den Träger nutzen. Beispielsweise offenbart Patentliteratur-1 eine elektrochemische Zelle (Fluorid-Ionen-Batterie), die mit einer Kathode, einer Anode und einem Elektrolyten, der einen Anionen-Ladungsträger (F-) leiten kann, versehen ist. Ferner offenbaren die Druckschriften der Patentliteratur-2 und Patentliteratur-3 Fluorid-Ionen-Batterien aus dem Stand der Technik.
  • Liste der Anführungen
  • Patentliteratur
  • Kurzfassung der Offenbarung
  • Technisches Problem
  • In einer allgemeinen Fluorid-Ionen-Batterie werden 5 Arten von Elementen verwendet: ein Kathodenstromkollektor, eine Kathodenaktivmaterialschicht, eine Elektrolytschicht, eine Anodenaktivmaterialschicht und ein Anodenstromkollektor. Hingegen ist beispielsweise mit Blick auf eine Reduktion der Kosten einer Batterie eine Batterie mit einem einfachen Aufbau zu bevorzugen. In Anbetracht der obigen Umstände betriebene Forschung hat den vorliegenden Erfinder zu der Erkenntnis geführt, dass Leistungserzeugungselemente (eine Kathodenaktivmaterialschicht, eine Festkörperelektrolytschicht und eine Anodenaktivmaterialschicht) einer Batterie durch zwei Arten von Elementen gebildet werden können: eine Elektrodenschicht und eine Festkörperelektrolytschicht; konkret ist der vorliegende Erfinder zu der Erkenntnis gelangt, dass eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden kann, in der eine Anodenaktivmaterialschicht auf eine selbstbildende Art und Weise aus einer Festkörperelektrolytschicht erzeugt wird. Indes ist bei Fluorid-Ionen-Batterien, welche einen solchen Aufbau aufweisen, das Auftreten eines Kurzschlusses wahrscheinlich.
  • Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht der obigen Umstände getätigt, und eine Hauptaufgabe derselben ist die Bereitstellung einer Fluorid-Ionen-Batterie, bei der ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden wird.
  • Lösung des Problems
  • Zur Lösung des Problems sieht die vorliegende Offenbarung eine Fluorid-Ionen-Batterie vor, umfassend: eine Elektrodenschicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht, welche ein Festkörperelektrolytmaterial enthält, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor in dieser Reihenfolge; und wobei keine Anodenaktivmaterialschicht zwischen der Festkörperelektrolytschicht und dem Anodenstromkollektor vorhanden ist; und die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet, wobei die Fluorid-Ionen-Batterie ferner einen bipolaren Aufbau aufweist, in dem eine Mehrzahl der Elektrodenschichten und der Festkörperelektrolytschichten alternierend angeordnet sind.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung können die bestimmten zwei Arten von Elementen, eine Elektrodenschicht und eine Festkörperelektrolytschicht, die Leistungserzeugungselemente einer Fluorid-Ionen-Batterie bilden. Da ferner gemäß der vorliegenden Offenbarung die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor ein bestimmtes Metall beinhaltet, kann eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden, bei der ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden wird.
  • In der Offenbarung kann der Anodenstromkollektor unmittelbar auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht angeordnet sein.
  • Auch sieht die vorliegende Offenbarung eine Fluorid-Ionen-Batterie vor, umfassend: eine Elektrodenschicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht, welche ein Festkörperelektrolytmaterial enthält, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor in dieser Reihenfolge; und eine Fluoridschicht, welche ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements enthält, auf einer Oberfläche der Elektrodenschicht, welche die Anodenstromkollektorseite ist; und eine Anodenaktivmaterialschicht, welche eine einfache Substanz des zweiten Metallelements enthält, auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht, welche die Anodenstromkollektorseite ist, und wobei die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet, wobei die Fluorid-Ionen-Batterie ferner einen bipolaren Aufbau aufweist, in dem eine Mehrzahl der Elektrodenschichten und der Festkörperelektrolytschichten alternierend angeordnet sind.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung können die bestimmten zwei Arten von Elementen, eine Elektrodenschicht und eine Festkörperelektrolytschicht, die Leistungserzeugungselemente einer Fluorid-Ionen-Batterie bilden. Da ferner gemäß der vorliegenden Offenbarung die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor ein bestimmtes Metall beinhaltet, kann eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden, bei der ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden wird.
  • In der Offenbarung kann die Elektrodenschicht eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhalten.
  • In der Offenbarung kann die Festkörperelektrolytschicht eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhalten.
  • In der Offenbarung kann der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhalten.
  • In der Offenbarung kann das zweite Metallelement mindestens eine Art von La, Ba, Pb, Sn, Ca und Ce sein.
  • In der Offenbarung kann das Festkörperelektrolytmaterial mindestens eine Art von La1-xBaxF3-x, worin 0 ≤ x ≤ 2, Pb2-xSnxF4, worin 0 ≤ x ≤ 2, Ca2-xBaxF4, worin 0 ≤ x ≤ 2, und Ce1-xBaxF3-x, worin 0 ≤ x ≤ 2, sein.
  • Auch sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Fluorid-Ionen-Batterie vor, welche einen bipolaren Aufbau aufweist, wobei das Verfahren umfasst: einen Laminierkörperbildungsschritt des Bildens eines laminierten Körpers, beinhaltend eine Elektrodenschicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht, welche ein Festkörperelektrolytmaterial enthält, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor in dieser Reihenfolge; und wobei keine Anodenaktivmaterialschicht zwischen der Festkörperelektrolytschicht und dem Anodenstromkollektor vorhanden ist; und die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet, wobei der bipolare Aufbau durch Herstellen eines Elements, bei dem die Festkörperelektrolytschicht auf die Elektrodenschicht gestapelt ist, und mehrmaliges Stapeln des Elements gebildet wird.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden, deren Leistungserzeugungselemente durch die Kombination der bestimmten Elektrodenschicht und Festkörperelektrolytschicht gebildet werden können. Da ferner gemäß der vorliegenden Offenbarung die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor ein bestimmtes Metall beinhaltet, kann eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden, bei der ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden wird.
  • In der Offenbarung kann das Verfahren ferner einen Ladeschritt des Ladens des laminierten Körpers, Bilden einer Fluoridschicht, die ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements enthält, auf einer Oberfläche der Elektrodenschicht, welche die Anodenstromkollektorseite ist, und Bilden einer Anodenaktivmaterialschicht, die eine einfache Substanz des zweiten Metallelements enthält, auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht, welche die Anodenstromkollektorseite ist, umfassen.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Offenbarung
  • Die vorliegende Offenbarung weist Wirkungen auf wie etwa jene, dass eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden kann, bei der ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden wird.
  • Figurenliste
    • 1A und 1B sind schematische Querschnittsansichten, welche die Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung beispielhaft veranschaulichen.
    • 2A und 2B sind schematische Querschnittsansichten, welche einen vermuteten Mechanismus bei Auftreten eines Kurzschlusses erläutern.
    • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung beispielhaft veranschaulicht.
    • 4A und 4B sind schematische Querschnittsansichten, welche die Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung beispielhaft veranschaulichen.
    • 5A bis 5D sind schematische Querschnittsansichten, welche das Verfahren zur Herstellung der Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung beispielhaft veranschaulichen.
    • 6A und 6B zeigen die Ergebnisse eines Lade- und Entladeversuchs für die in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Auswertungszellen.
    • 7A und 7B zeigen die Ergebnisse eines Lade- und Entladeversuchs für die in Beispiel 2 und 3 erhaltenen Auswertungszellen.
    • 8A und 8B zeigen die Ergebnisse eines Lade- und Entladeversuchs für die in Vergleichsbeispiel 2 und 3 erhaltenen Auswertungszellen.
    • 9A und 9B zeigen die Ergebnisse eines Lade- und Entladeversuchs für die in Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 4 erhaltenen Auswertungszellen.
    • 10 zeigt das Ergebnis eines Lade- und Entladeversuchs für die in Beispiel 5 erhaltene Auswertungszelle.
    • 11 zeigt das Ergebnis eines Lade- und Entladeversuchs für die in Beispiel 6 erhaltene Auswertungszelle.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Die Fluorid-Ionen-Batterie und das Verfahren zur Herstellung der Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend im Detail beschrieben.
  • A. Fluorid-Ionen-Batterie
  • 1A und 1B sind schematische Querschnittsansichten, welche die Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung beispielhaft veranschaulichen. 1A zeigt den Zustand vor dem Laden, und 1B zeigt den Zustand nach dem Laden. Die in 1A und 1B gezeigte Fluorid-Ionen-Batterie 10 umfasst jeweils eine Elektrodenschicht 1, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht 2, welche ein Festkörperelektrolytmaterial enthält, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor 3 in dieser Reihenfolge in der Dickenrichtung.
  • In der in 1A gezeigten Fluorid-Ionen-Batterie 10 ist zwischen der Festkörperelektrolytschicht 2 und dem Anodenstromkollektor 3 keine Anodenaktivmaterialschicht vorhanden. In 1A ist die Elektrodenschicht 1 unmittelbar auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 2 angeordnet, und der Anodenstromkollektor 3 ist unmittelbar auf der anderen Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 2 angeordnet. Wenn hier die Elektrodenschicht 1 eine Pb-Folie ist und die Festkörperelektrolytschicht 2 La0,9Ba0,1F2,9 (Festkörperelektrolytmaterial) ist und die in 1A gezeigte Fluorid-Ionen-Batterie 10 geladen würde, dann würde die Fluorierungsreaktion der Elektrodenschicht 1 (Pb-Folie) in der Grenzfläche zwischen der Elektrodenschicht 1 und der Festkörperelektrolytschicht 2 erfolgen, und dadurch würde PbF2 erhalten werden. Das PbF2 entspricht einer geladenen Kathodenaktivmaterialschicht (Fluoridschicht 4). Im Übrigen kann die Elektrodenschicht 1 (Pb-Folie), welche nicht an der Reaktion mit Fluoridionen beteiligt ist, als ein Kathodenstromkollektor fungieren.
  • Indes würde in der Grenzfläche zwischen der Festkörperelektrolytschicht 2 und dem Anodenstromkollektor 3 die Defluorierungsreaktion der Festkörperelektrolytschicht 2 (La0,9Ba0,1F2,9) erfolgen, und dadurch würde eine einfache Substanz aus La erzeugt werden (La0,9Ba0,1F2,9 + 2,7e- → 0,9 La + 0,1 BaF2 + 2,7F-). Eine einfache Substanz aus La entspricht einer einfachen Substanz des zweiten Metallelements, und die Schicht, welche eine einfache Substanz aus La enthält, entspricht der Anodenaktivmaterialschicht 5. Dies bedeutet, dass die Anodenaktivmaterialschicht 5 auf eine selbstbildende Art und Weise aus der Festkörperelektrolytschicht 2 erzeugt werden würde. Auf diese Weise können beispielsweise Leistungserzeugungselemente einer Batterie (eine Kathodenaktivmaterialschicht, eine Festkörperelektrolytschicht und eine Anodenaktivmaterialschicht) aus den beiden Arten von Elementen gebildet werden: einer Pb-Folie und La0,9Ba0,1F2,9.
  • Demgemäß wird durch Laden der in 1A gezeigten Fluorid-Ionen-Batterie 10 eine Fluorid-Ionen-Batterie 10 erhalten, welche umfasst: eine Fluoridschicht 4, enthaltend ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements auf einer Oberfläche der Elektrodenschicht 1, welche die Seite des Anodenstromkollektors 3 ist; und eine Anodenaktivmaterialschicht 5, enthaltend eine einfache Substanz des zweiten Metallelements auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 2, welche die Seite des Anodenstromkollektors 3 ist, wie in 1B gezeigt.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung können die bestimmten zwei Arten von Elementen, eine Elektrodenschicht und eine Festkörperelektrolytschicht, die Leistungserzeugungselemente einer Fluorid-Ionen-Batterie bilden. Eine Reduzierung der Anzahl der verwendeten Elemente erlaubt eine Reduzierung der Kosten einer Batterie. Auch stellt die Elektrodenschicht Funktionen sowohl als ein Stromkollektor als auch als eine Kathodenaktivmaterialschicht bereit. Demgemäß ist es nicht erforderlich, ein zusätzliches Element als einen Kathodenstromkollektor zu verwenden, und somit ist die Erhöhung der Energiedichte der Batterie besser erreichbar.
  • Insbesondere wurde in der vorliegenden Offenbarung herausgefunden, dass Leistungserzeugungselemente einer Batterie (eine Kathodenaktivmaterialschicht, eine Festkörperelektrolytschicht und eine Anodenaktivmaterialschicht) lediglich anhand der Kombination einer Elektrodenschicht mit der Festkörperelektrolytschicht, welche eine Anodenaktivmaterialschicht sein kann, mittels der Selbstbildungsreaktion gebildet werden können. Ein solcher Reaktionsmechanismus ist einer Fluorid-Ionen-Festkörperbatterie (einer Fluorid-Ionen-Batterie umfassend eine Festkörperelektrolytschicht) zu eigen und ist kein herkömmlich bekannter Reaktionsmechanismus.
  • Indes ist bei der in 1A und 1B beispielhaft veranschaulichten Fluorid-Ionen-Batterie 10 das Auftreten eines Kurzschlusses wahrscheinlich. Ein vermuteter Mechanismus hiervon wird unter Bezugnahme auf 2A und 2B erläutert. Aus praktischen Gründen wird eine Beschreibung der Fluoridschicht 4 in 2A und 2B weggelassen. Falls, wie in 2A gezeigt, die Anodenaktivmaterialschicht 5 hier idealerweise aus der Festkörperelektrolytschicht 2 erzeugt wird, dann nimmt eine Dicke der Anodenaktivmaterialschicht 5 mit Fortschreiten des Ladens gleichmäßig zu. Jedoch läuft die Selbstbildungsreaktion der Anodenaktivmaterialschicht 5 in Wirklichkeit lokal ab. Dies bedeutet, dass die Defluorierungsreaktion ungleichmäßig abläuft. Konkret, wie in 2B gezeigt, wird die Anodenaktivmaterialschicht 5 lokal erzeugt. Da die Anodenaktivmaterialschicht 5 eine einfache Substanz des zweiten Metallelements beinhaltet und die einfache Substanz des Metalls eine extrem hohe Elektronenleitfähigkeit aufweist, wäre eine Oberfläche der einfachen Substanz des Metalls vorzugsweise der nächste aktive Ort der Defluorierungsreaktion. Dies liegt daran, dass der Ort, an dem ein fluoridionenleitender Pfad am kürzesten ausfallen kann, die Oberfläche der einfachen Substanz des Metalls ist. Ein kontinuierliches Auftreten dieser Reaktion führt dazu, dass die Anodenaktivmaterialschicht 5 mit fortschreitendem Laden in einer Dendritenform abgeschieden wird und zu einem Kurzschluss führt. Es wird vermutet, dass durch einen solchen Mechanismus ein Kurzschluss auftreten würde.
  • In Anbetracht des Vorstehenden kann gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden, bei der ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden wird, da die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor ein bestimmtes Metall beinhaltet. In der vorliegenden Offenbarung kann eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, als ein kurzschlussunterbindendes Metall bezeichnet werden. Als Grund dafür, warum der Kurzschluss unterbunden werden kann, wird Folgendes vermutet. Und zwar wird vermutet, dass ein Auftreten des Kurzschlusses unterbunden wird, weil das kurzschlussunterbindende Metall weich ist, so dass eine Defluorierungsreaktion ohne Weiteres gleichmäßig ablaufen kann. Auch sei als ein anderer vermuteter Mechanismus die Möglichkeit erwähnt, dass die einfache Substanz des zweiten Metallelements und das kurzschlussunterbindende Metall eine Legierung bilden. In einer frühen Ladephase wird die einfache Substanz des zweiten Metallelements vermutlich als ein Nanopartikel abgeschieden. Im Unterschied zu Großpartikeln kann das Nanopartikel spontan mit niedriger Energie zu einer Legierung werden. Demgemäß wird vermutet, dass deswegen, weil das beim Aufladen abgeschiedene Nanopartikel der einfachen Metallsubstanz in das kurzschlussunterbindende Metall diffundiert und zu einer Legierung wird, ein gleichmäßiger Ablauf der Defluorierungsreaktion erleichtert wird, so dass ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden wird.
  • Die Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung wird nachstehend in jeder Ausgestaltung beschrieben.
  • 1. Elektrodenschicht
  • Die Elektrodenschicht in der vorliegenden Offenbarung ist eine Schicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist. Das erste Metallelement oder das Kohlenstoffelement wird für gewöhnlich beim Aufladen fluoriert und beim Entladen defluoriert. Ein Fluoridion reagiert aufgrund seiner extrem hohen Nukleophilie mit einer ganzen Reihe von Elementen, so dass ein Fluorid gebildet wird. Indes muss beim Entladen eine Defluorierungsreaktion in der Elektrodenschicht erfolgen. Dies bedeutet, dass die Elektrodenschicht eine Schicht sein muss, in der nicht nur eine Fluorierungsreaktion, sondern auch eine Defluorierungsreaktion erfolgen kann. Auch stellt die Elektrodenschicht Funktionen sowohl als ein Kathodenstromkollektor (oder ein zwischengeordneter Stromkollektor) als auch als eine Kathodenaktivmaterialschicht bereit.
  • Beispiele für die Elektrodenschicht können eine Metallelektrodenschicht umfassen, welche das erste Metallelement beinhaltet, und eine Kohlenstoffelektrodenschicht, welche das Kohlenstoffelement beinhaltet. Beispiele für die Metallelektrodenschicht können eine einfache Substanz und eine Legierung, welche das erste Metallelement beinhaltet, umfassen. Beispiele für das erste Metallelement können mindestens eine Art von Pb, Cu, Sn, In, Bi, Sb, Ni, Co, La, Ce, Mn, V, Fe, Cr, Nb, Ti und Zn umfassen. Falls die Metallelektrodenschicht eine Legierung ist, kann die Legierung nur eine Art des ersten Metallelements beinhalten und kann zwei Arten oder mehr der ersten Metallelemente beinhalten. Im letzteren Fall ist aus einer Mehrzahl der ersten Metallelemente vorzugsweise ein Metallelement mit dem höchsten Fluorierungspotential und Defluorierungspotential (nachstehend als Metallelement A bezeichnet) die Hauptkomponente der Legierung. Der Anteil des Metallelements A in der Legierung kann 50 Mol-% oder mehr betragen, kann 70 Mol-% oder mehr betragen und kann 90 Mol-% oder mehr betragen. Auch können Beispiele für die Kohlenstoffelektrodenschicht Graphit und Graphen umfassen.
  • Die Dicke der Elektrodenschicht vor dem Laden beträgt beispielsweise 5 µm oder mehr und vorzugsweise 50 µm oder mehr. Falls die Dicke der Elektrodenschicht vor dem Laden zu gering ist, wird die Dicke jenes Abschnitts, der beim Aufladen als ein Stromkollektor fungiert (jener Abschnitt, der nicht an der Reaktion mit Fluoridionen beteiligt ist), gering und möglicherweise kann die Stromsammelfunktion nicht ausreichend erhalten werden. Im Übrigen bezeichnet die Elektrodenschicht vor dem Laden eine Elektrodenschicht, in der die Fluoridschicht, welche ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements enthält, nicht vorhanden ist. Ferner, obgleich die Elektrodenschicht als ein Kathodenstromkollektor fungiert, kann in Anbetracht der durch Fluorierung bedingten Korrosion ein Hilfsstromkollektor mit einer hohen chemischen Stabilität zusätzlich angeordnet werden. Beispiele für den Hilfsstromkollektor können einen Stromkollektor umfassen, der ein Edelmetall wie etwa Au und Pt beinhaltet.
  • 2. Festkörperelektrolytschicht
  • Die Festkörperelektrolytschicht in der vorliegenden Offenbarung ist eine Schicht, welche ein Festkörperelektrolytmaterial enthält, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements. Das zweite Metallelement wird beim Aufladen für gewöhnlich als eine einfache Metallsubstanz abgeschieden und beim Entladen fluoriert. Auch kann ein Teil der Festkörperelektrolytschicht durch eine Selbstbildungsreaktion beim Aufladen zu einer Anodenaktivmaterialschicht werden.
  • Das Festkörperelektrolytmaterial ist für gewöhnlich ein Material, das Fluoridionenleitfähigkeit aufweist und ein zweites Metallelement sowie ein F-Element beinhaltet. Das zweite Metallelement weist ein Fluorierungspotential und Defluorierungspotential auf, welche niedriger sind als jene des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements. Wenn mit anderen Worten die Elektrodenschicht ein erstes Metallelement beinhaltet, weist das zweite Metallelement ein Fluorierungspotential und Defluorierungspotential auf, welche niedriger sind als jene des ersten Metallelements. Analog dazu weist, wenn die Elektrodenschicht ein Kohlenstoffelement beinhaltet, das zweite Metallelement ein Fluorierungspotential und Defluorierungspotential auf, welche niedriger sind als jene des Kohlenstoffelements. Das Fluorierungspotential und das Defluorierungspotential können beispielsweise anhand von Cyclovoltammetrie (CV) gemessen werden. Die Differenz des Fluorierungspotentials des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements von jenem des zweiten Metallelements beträgt beispielsweise 0,05 V oder mehr und vorzugsweise 0,1 V oder mehr. Auch beträgt die Differenz des Defluorierungspotentials des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements von jenem des zweiten Metallelements beispielsweise 0,05 V oder mehr und vorzugsweise 0,1 V oder mehr.
  • Beispiele für das zweite Metallelement können mindestens eine Art von La, Ba, Pb, Sn, Ca und Ce umfassen. Das Festkörperelektrolytmaterial kann nur eine Art des zweiten Metallelements beinhalten und kann zwei oder mehr Arten hiervon beinhalten. In letzterem Fall ist aus einer Mehrzahl der zweiten Metallelemente vorzugsweise ein Metallelement mit dem höchsten Fluorierungspotential und Defluorierungspotential (nachstehend als Metallelement B bezeichnet) die Hauptkomponente aus allen in dem Festkörperelektrolytmaterial beinhalteten Metallelementen. Der Anteil des Metallelements B aus allen in dem Festkörperelektrolytmaterial beinhalteten Metallelementen kann 50 Mol-% oder mehr betragen, kann 70 Mol-% oder mehr betragen und kann 90 Mol-% oder mehr betragen.
  • Beispiele für das Festkörperelektrolytmaterial können mindestens eine Art von La1-xBaxF3-x, worin 0 ≤ x ≤ 2, Pb2-xSnxF4, worin 0 ≤ x ≤ 2, Ca2-xBaxF4, worin 0 ≤ x ≤ 2 und Ce1-xBaxF3-x, worin 0 ≤ x ≤ 2, umfassen. Das x kann jeweils größer sein als 0, kann 0,3 oder mehr betragen, kann 0,5 oder mehr betragen und kann 0,9 oder mehr betragen. Auch kann das x jeweils kleiner sein als 1, kann 0,9 oder weniger betragen, kann 0,5 oder weniger betragen und kann 0,3 oder weniger betragen. Die Form des Festkörperelektrolytmaterials unterliegt keinen Einschränkungen, und Beispiele hierfür können eine Granulatform umfassen.
  • Die Dicke der Festkörperelektrolytschicht vor dem Laden beträgt beispielsweise 10 µm oder mehr und vorzugsweise 50 µm oder mehr. Indes beträgt die Dicke der Festkörperelektrolytschicht vor dem Laden beispielsweise 300 µm oder weniger. Falls die Dicke der Festkörperelektrolytschicht vor dem Laden zu gering ist, kann möglicherweise leicht ein Kurzschluss auftreten, und falls die Dicke der Festkörperelektrolytschicht vor dem Laden zu groß ist, kann eine Erhöhung der Energiedichte der Batterie möglicherweise nicht ohne Weiteres erreicht werden. Im Übrigen bezeichnet die Festkörperelektrolytschicht vor dem Laden eine Festkörperelektrolytschicht, in der die Anodenaktivmaterialschicht, welche eine einfache Substanz des zweiten Metallelements enthält, nicht vorhanden ist.
  • Beispielsweise, wie in 1A gezeigt, ist es möglich, dass die Fluorid-Ionen-Batterie 10 keine Anodenaktivmaterialschicht zwischen der Festkörperelektrolytschicht 2 und dem Anodenstromkollektor 3 beinhaltet. Auch kann der Anodenstromkollektor 3 unmittelbar auf der Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 2 angeordnet sein. Analog kann die Elektrodenschicht 1 unmittelbar auf der Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 2 angeordnet sein. Ferner, wie in 1B gezeigt, kann die Fluorid-Ionen-Batterie 10 beispielsweise eine Fluoridschicht 4, welche ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements enthält, auf der Oberfläche der Elektrodenschicht 1, welche die Seite des Anodenstromkollektors 3 ist, umfassen. Analog kann die Fluorid-Ionen-Batterie 10 eine Anodenaktivmaterialschicht 5, welche eine einfache Substanz des zweiten Metallelements enthält, auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 2, welche die Seite des Anodenstromkollektors 3 ist, umfassen. Auch kann durch Laden der in 1A gezeigten Fluorid-Ionen-Batterie 10 die in 1B gezeigte Fluorid-Ionen-Batterie 10 erhalten werden. Indes kann durch Entladen der in 1B gezeigten Fluorid-Ionen-Batterie 10 vermutlich die in 1A gezeigte Fluorid-Ionen-Batterie 10 erhalten werden.
  • Die Fluoridschicht ist eine Schicht, welche ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements, das in der Elektrodenschicht beinhaltet ist, enthält, und entspricht einer geladenen Kathodenaktivmaterialschicht. Die Dicke der Fluoridschicht variiert mit dem Ladezustand und ist daher nicht beschränkt. Auch weist die vollständig entladene Elektrodenschicht (wie etwa die Elektrodenschicht 1 in 1A) vorzugsweise eine einheitliche Zusammensetzung auf. Insbesondere weisen ein Stromkollektorabschnitt, in dem die Fluorierungsreaktion nicht erfolgt, und ein Aktivmaterialabschnitt, in dem die Fluorierungsreaktion und Defluorierungsreaktion erfolgt sind, eine atomare Kontinuität auf. Ob die atomare Kontinuität vorliegt oder nicht, kann beispielsweise durch Betrachten der Grenzfläche mit einem Transmissionselektronenmikroskop bestätigt werden.
  • Die Anodenaktivmaterialschicht ist eine Schicht, welche eine einfache Substanz des zweiten Metallelements enthält, und wird für gewöhnlich auf eine selbstbildende Art und Weise aus der Festkörperelektrolytschicht erzeugt. Die Dicke der Anodenaktivmaterialschicht variiert mit dem Ladezustand und ist somit nicht beschränkt. Auch enthält die Anodenaktivmaterialschicht (wie etwa die Anodenaktivmaterialschicht 5 in 1B) vorzugsweise eine Restkomponente des Festkörperelektrolytmaterials zusätzlich zu einer einfachen Substanz des zweiten Metallelements. Die Restkomponente bezeichnet aus den Elementen, welche in dem Festkörperelektrolytmaterial beinhaltet sind, eine Komponente, die ein Element beinhaltet, das von dem als eine einfache Metallsubstanz abgeschiedenen zweiten Metallelement verschieden ist. Beispielsweise erfolgte in den später beschriebenen Beispielen zum Zeitpunkt des Ladens eine Reaktion von La0,9Ba0,1F2,9 + 2,7e- → 0,9La + 0,1BaF2 + 2,7F-. In diesem Fall entspricht das La einer einfachen Substanz des zweiten Metallelements, und BaF2 entspricht der Restkomponente. Die Restkomponente ist vorzugsweise ein Metallfluorid.
  • 3. Anodenstromkollektor
  • Der Anodenstromkollektor in der vorliegenden Offenbarung sammelt Ströme des Anodenaktivmaterials. Beispiele für den Anodenstromkollektor können Metallstromkollektoren, welche Metallelemente beinhalten, und Kohlenstoffstromkollektoren, welche Kohlenstoffelemente beinhalten, umfassen. Beispiele für den Metallstromkollektor können eine einfache Substanz und eine Legierung umfassen. Beispiele für das in dem Metallstromkollektor zu verwendende Metallelement können Au, Ag, Pt, Pd, Ph, Ir, Ru, Os, Pb, Sn, In, Bi und Sb umfassen. Indes können Beispiele für den Kohlenstoffstromkollektor Graphit und Graphen umfassen.
  • Auch kann der Anodenstromkollektor das gleiche Element wie die Elektrodenschicht sein. In diesem Fall können lediglich zwei Elemente: die Elektrodenschicht (Anodenstromkollektor) und die Festkörperelektrolytschicht, als 5 Elemente fungieren: ein Kathodenstromkollektor, eine Kathodenaktivmaterialschicht, eine Elektrolytschicht, eine Anodenaktivmaterialschicht und ein Anodenstromkollektor. Infolgedessen lässt sich eine Reduzierung der Kosten einer Batterie erreichen.
  • Beispiele für die Form des Anodenstromkollektors können eine Folienform umfassen. Die Dicke des Anodenstromkollektors beträgt beispielsweise 5 µm oder mehr und kann 10 µm oder mehr betragen. Indes beträgt die Dicke des Anodenstromkollektors beispielsweise 100 µm oder weniger und kann 50 µm oder weniger betragen. Falls die Dicke des Anodenstromkollektors zu gering ist, kann ein Auftreten eines Kurzschlusses nicht ausreichend unterbunden werden. Falls die Dicke des Anodenstromkollektors zu groß ist, kann eine Erhöhung der Energiedichte der Batterie möglicherweise nicht ohne Weiteres erreicht werden. Ferner kann in Anbetracht der durch Fluorierung bedingten Korrosion ein Hilfsstromkollektor mit einer hohen chemischen Stabilität zusätzlich zu dem Anodenstromkollektor angeordnet werden. Beispiele für den Hilfsstromkollektor können Stromkollektoren umfassen, welche Edelmetalle wie etwa Au und Pt beinhalten.
  • 4. Fluorid-Ionen-Batterie
  • Die Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung ist mit der Elektrodenschicht, der Festkörperelektrolytschicht und dem Anodenstromkollektor, welche oben beschrieben sind, versehen. Auch beinhaltet in der vorliegenden Offenbarung die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor ein kurzschlussunterbindendes Metall (eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält). Im Übrigen kann die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor zwei oder mehr Arten des kurzschlussunterbindenden Metalls beinhalten; beispielsweise können eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb und eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet sein. Wenn eines oder mehrere der Metallelemente Pb, Sn, In, Bi und Sb als Metallelement C bezeichnet wird, dann kann der Anteil des Metallelements C in der Legierung 50 Mol-% oder mehr betragen, kann 70 Mol-% oder mehr betragen und kann 90 Mol-% oder mehr betragen. Im Übrigen, wenn das Metallelement C zwei oder mehr der Metallelemente entspricht, dann liegt der Gesamtanteil hiervon vorzugsweise innerhalb des obengenannten Bereichs.
  • Wenn die Festkörperelektrolytschicht das kurzschlussunterbindende Metall beinhaltet, dann bestehen Vorteile dahingehend, dass eine hohe Kapazität erreicht werden kann und der Bereich zum Auswählen des Anodenstromkollektormaterials erweitert werden kann. Die Form des kurzschlussunterbindenden Metalls in der Festkörperelektrolytschicht unterliegt keinen Einschränkungen, und Beispiele hierfür können eine Pulverform umfassen. Demgemäß beinhaltet die Festkörperelektrolytschicht vorzugsweise das kurzschlussunterbindende Metall der Pulverform. Ein Beispiel für die Festkörperelektrolytschicht kann, wie in 3 gezeigt, die Festkörperelektrolytschicht 2 umfassen, welche beinhaltet: einen ersten Festkörperelektrolytabschnitt 2a, der auf der Seite der Elektrodenschicht 1 gebildet ist und das kurzschlussunterbindende Metall nicht beinhaltet; und einen zweiten Festkörperelektrolytabschnitt 2b, der auf der Seite des Anodenstromkollektors 3 gebildet ist und das kurzschlussunterbindende Metall X beinhaltet.
  • Wie oben erwähnt, beinhaltet die Festkörperelektrolytschicht auf der Seite der Elektrodenschicht vorzugsweise den ersten Festkörperelektrolytabschnitt, der das kurzschlussunterbindende Metall nicht beinhaltet. Die Dicke des ersten Festkörperelektrolytabschnitts beträgt beispielsweise 0,5 µm oder mehr. Indes beträgt die Dicke des ersten Festkörperelektrolytabschnitts beispielsweise 100 µm oder weniger, vorzugsweise 50 µm oder weniger und stärker bevorzug 30 µm oder weniger. Auch beinhaltet die Festkörperelektrolytschicht auf der Seite des Anodenstromkollektors vorzugsweise den zweiten Festkörperelektrolytabschnitt, der das kurzschlussunterbindende Metall beinhaltet. Die Dicke des zweiten Festkörperelektrolytabschnitts beträgt beispielsweise 5 µm oder mehr und vorzugsweise 10 µm oder mehr. Indes beträgt die Dicke des zweiten Festkörperelektrolytabschnitts beispielsweise 300 µm oder weniger. Ferner beträgt der Anteil des kurzschlussunterbindenden Metalls in der Festkörperelektrolytschicht beispielsweise 5 Gew.-% oder mehr. Indes beträgt der Anteil des kurzschlussunterbindenden Metalls in der Festkörperelektrolytschicht beispielsweise 50 Gew.-% oder weniger und vorzugsweise 30 Gew.-% oder weniger.
  • Wenn indes der Anodenstromkollektor das kurzschlussunterbindende Metall beinhaltet, dann besteht ein Vorteil dahingehend, dass die Dicke der Festkörperelektrolytschicht kleiner ausgelegt werden kann. Die Form des kurzschlussverhindernden Metalls in dem Anodenstromkollektor unterliegt keinen Einschränkungen, und Beispiele hierfür können eine Folienform umfassen. Auch kann die Festkörperelektrolytschicht in der vorliegenden Offenbarung das kurzschlussunterbindende Metall beinhalten, wohingegen der Anodenstromkollektor das kurzschlussunterbindende Metall nicht beinhalten kann. Indes kann die Festkörperelektrolytschicht das kurzschlussunterbindende Metall auch nicht beinhalten, wohingegen der Anodenstromkollektor das kurzschlussunterbindende Metall beinhalten kann. Ferner können sowohl die Festkörperelektrolytschicht als auch der Anodenstromkollektor das kurzschlussunterbindende Metall beinhalten. In diesem Fall können das in der Festkörperelektrolytschicht beinhaltete kurzschlussunterbindende Metall und das in dem Anodenstromkollektor beinhaltete kurzschlussunterbindende Metall gleich oder voneinander verschieden sein.
  • Die Fluorid-Ionen-Batterie weist ferner einen bipolaren Aufbau auf, in dem eine Mehrzahl der Elektrodenschichten und der Festkörperelektrolytschichten alternierend angeordnet sind. In diesem Fall kann eine Erhöhung einer Batteriespannung erreicht werden.
  • 4A und 4B sind schematische Querschnittsansichten, welche die Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung beispielhaft veranschaulichen; 4A zeigt den Zustand vor dem Laden, und 4B zeigt den Zustand nach dem Laden. Die jeweils in 4A und 4B gezeigte Fluorid-Ionen-Batterie 10 umfasst: eine Elektrodenschicht 1, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht 2, welche ein Festkörperelektrolytmaterial enthält, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor 3 in dieser Reihenfolge in der Dickenrichtung; und weist ferner einen bipolaren Aufbau auf, in dem eine Mehrzahl von Elektrodenschichten 1 und Festkörperelektrolytschichten 2 alternierend angeordnet sind.
  • Auch können in dem bipolaren Aufbau beispielsweise, wie in 4A gezeigt, Elektrodenschichten 1 unmittelbar auf den beiden Oberflächen der Festkörperelektrolytschichten 2 angeordnet sein. Auch kann, wie in 4B gezeigt, die Fluorid-Ionen-Batterie 10 in dem bipolaren Aufbau beispielsweise Fluoridschichten 4 umfassen, die Fluoride des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements auf Oberflächen der Elektrodenschichten 1, welche auf Seiten des Anodenstromkollektors 3 liegen, enthalten, und sie kann in dem bipolaren Aufbau Anodenaktivmaterialschichten 5 umfassen, die eine einfache Substanz des zweiten Metallelements auf Oberflächen der Festkörperelektrolytschichten 2, welche auf Seiten des Anodenstromkollektors 3 liegen, enthalten.
  • In dem bipolaren Aufbau fungiert die am Ende befindliche Elektrodenschicht (wie etwa die Elektrodenschicht 1, die in 4A und 4B oben positioniert ist) als ein Kathodenstromkollektor und eine Kathodenaktivmaterialschicht. Indes fungiert die Elektrodenschicht, die von Festkörperelektrolytschichten sandwichartig eingefasst wird (wie etwa die Elektrodenschicht 1, die in 4A und 4B als zweite von oben positioniert ist), als ein zwischengeordneter Stromkollektor und eine Kathodenaktivmaterialschicht. Wenn eine Elektrodenschicht und eine Festkörperelektrolytschicht als eine strukturelle Einheit gezählt werden, dann beträgt die Anzahl der strukturellen Einheiten in dem bipolaren Aufbau beispielsweise 2 oder mehr und kann 10 oder mehr betragen. Indes beträgt die Anzahl der strukturellen Einheiten in dem bipolaren Aufbau beispielsweise 100 oder weniger. Insbesondere dann, wenn die Fluorid-Ionen-Batterie ferner den bipolaren Aufbau aufweist, beinhaltet die Elektrodenschicht vorzugsweise eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält. Der Grund hierfür ist, um das Auftreten eines Kurzschlusses, der durch die auf dem zwischengeordneten Stromkollektor abgeschiedene Anodenaktivmaterialschicht (Elektrodenschicht) bewirkt wird, effektiv zu unterbinden. Details bezüglich einer solchen Elektrodenschicht sind gleich jenen des oben beschriebenen Anodenstromkollektors; folglich werden die Beschreibungen hierin weggelassen.
  • Hier wird davon ausgegangen, dass aus Fluoridionen-Festkörperbatterien, welche Metallaktivmaterialien verwenden, diejenige Batterie, welche Cu in der Kathodenaktivmaterialschicht verwendet und La oder Ce in der Anodenaktivmaterialschicht verwendet, bei dem höchsten Potential funktionieren kann; jedoch beträgt die Batteriespannung etwa 3 V, was niedriger ist als jene der herkömmlichen Lithiumionen-Festkörperbatterien. Wenn demgemäß eine Erhöhung einer Batteriespannung beabsichtigt ist, ist es notwendig, die Anzahl von in Reihe zu schaltenden Zellen zu erhöhen. Indes ist es in Anbetracht der durch Fluorierung bedingten Korrosion dringend notwendig, ein Edelmetall wie etwa Au und Pt als einen Kathodenstromkollektor zu verwenden. Angesichts dieser Punkte steigt bei einer beabsichtigten Erhöhung der Batteriespannung vermutlich auch die Verwendung von Edelmetallen.
  • Wenn hingegen der bipolare Aufbau für eine Batterie angewendet wird, dann kann die Verwendung von Edelmetallen reduziert werden, während eine Erhöhung der Batteriespannung beabsichtigt wird. Wie in der oben beschriebenen 4B gezeigt ist, fungiert die von Festkörperelektrolytschichten sandwichartig aufgenommene Elektrodenschicht als ein zwischengeordneter Stromkollektor, so dass die Verwendung von Edelmetallen nicht zwingend erforderlich ist; somit kann die Verwendung von Edelmetallen reduziert werden kann. Infolgedessen kann eine Reduzierung der Kosten einer Batterie erreicht werden. Da ferner Edelmetalle relativ gesehen schwerer sind als die anderen Elemente, kann durch Reduzieren der Verwendung von Edelmetallen die Energiedichte bezogen auf das Batteriegewicht erhöht werden.
  • Die Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung ist für gewöhnlich eine Sekundärbatterie, um wiederholt geladen und entladen zu werden und beispielsweise als eine fahrzeugmontierte Batterie nutzbar zu sein. Im Übrigen beinhaltet die Sekundärbatterie eine Verwendung einer Sekundärbatterie als eine Primärbatterie (die Verwendung zu dem Zweck eines lediglich einmaligen Entladens nach dem Laden). Auch können Beispiele für die Form der Fluorid-Ionen-Batterie eine Münzform, eine Laminatform, eine zylindrische Form und eine quadratische Form umfassen. Auch unterliegt das für die Fluorid-Ionen-Batterie zu verwendende Batteriegehäuse keinen Einschränkungen.
  • B. Verfahren zur Herstellung einer Fluorid-Ionen-Batterie
  • 5A bis 5D sind schematische Querschnittsansichten, welche das Verfahren zur Herstellung der Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen. In 5A bis 5D wird zunächst eine Elektrodenschicht 1 bereitet, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist (5A). Als Nächstes wird ein Festkörperelektrolytmaterial, beinhaltend ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements, unmittelbar auf einer Oberfläche der Elektrodenschicht 1 angeordnet und gepresst, um eine Festkörperelektrolytschicht 2 zu bilden (5B). Als Nächstes wird ein Anodenstromkollektor 3, beinhaltend eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, unmittelbar auf der Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 2, welche der Elektrodenschicht 1 gegenüberliegt, angeordnet und gepresst (5C). Auf diese Weise werden ein laminierter Körper, der die Elektrodenschicht 1, die Festkörperelektrolytschicht 2 und den Anodenstromkollektor 3 in dieser Reihenfolge beinhaltet, gebildet; dadurch kann eine Fluorid-Ionen-Batterie 10 vor dem Laden erhalten werden. Ferner wird der erhaltene laminierte Körper (Fluorid-Ionen-Batterie 10 vor dem Laden) optional geladen, die Fluoridschicht 4, welche ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements enthält, wird auf einer Oberfläche der Elektrodenschicht 1 gebildet, welche die Seite des Anodenstromkollektors 3 ist, und die Anodenaktivmaterialschicht 5, welche eine einfache Substanz des zweiten Metallelements enthält, wird auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht 2 gebildet, welche die Seite des Anodenstromkollektors 3 ist. Dadurch kann die Fluorid-Ionen-Batterie 10 nach dem Laden erhalten werden.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden, deren Leistungserzeugungselement durch die Kombination der bestimmten Elektrodenschicht und Festkörperelektrolytschicht gebildet werden kann. Da ferner gemäß der vorliegenden Offenbarung die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor ein bestimmtes Metall beinhaltet, kann eine Fluorid-Ionen-Batterie erhalten werden, bei der ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden wird.
  • Das Verfahren zur Herstellung der Fluorid-Ionen-Batterie der vorliegenden Offenbarung wird anhand jedes Schritts beschrieben.
  • 1. Laminierkörperbildungsschritt
  • Der Laminierkörperbildungsschritt ist in der vorliegenden Offenbarung ein Schritt des Bildens eines laminierten Körpers, beinhaltend: eine Elektrodenschicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht, welche ein Festkörperelektrolytmaterial enthält, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor in dieser Reihenfolge; und wobei keine Anodenaktivmaterialschicht zwischen der Festkörperelektrolytschicht und dem Anodenstromkollektor vorhanden ist. Jedes Element ist in den gleichen Anteilen vorhanden wie den in „A. Fluorid-Ionen-Batterie“ oben beschriebenen; folglich werden die Beschreibungen hierin weggelassen.
  • Das Verfahren zur Herstellung des laminierten Körpers unterliegt keinen Einschränkungen, und ein beliebiges Verfahren kann angewendet werden. Beispielsweise kann die Festkörperelektrolytschicht auf die Elektrodenschicht gestapelt werden, und der Anodenstromkollektor kann danach aufgestapelt werden; und die Festkörperelektrolytschicht kann auf den Anodenstromkollektor gestapelt werden und dann kann die Elektrodenschicht hierauf gestapelt werden. Auch kann die Festkörperelektrolytschicht hergestellt werden und danach kann die Elektrodenschicht oder der Anodenstromkollektor, gefolgt vom jeweils anderen aufgestapelt werden; und die Festkörperelektrolytschicht kann hergestellt werden und danach können die Elektrodenschicht und der Anodenstromkollektor gleichzeitig aufgestapelt werden. Auch kann dann, wenn die Fluorid-Ionen-Batterie den bipolaren Aufbau aufweist, der bipolare Aufbau beispielsweise durch Herstellen eines Elements, bei dem die Festkörperelektrolytschicht auf die Elektrodenschicht gestapelt ist, und mehrmaliges Stapeln des Elements gebildet werden. Im Übrigen findet beim Stapeln jedes Elements und Herstellen der Festkörperelektrolytschicht gegebenenfalls vorzugsweise ein Pressen statt.
  • 2. Ladeschritt
  • In der vorliegenden Offenbarung kann das Verfahren ferner einen Ladeschritt des Ladens des laminierten Körpers, Bilden einer Fluoridschicht, welche ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements enthält, auf einer Oberfläche der Elektrodenschicht, welche die Seite des Anodenstromkollektors ist, und Bilden einer Anodenaktivmaterialschicht, welche eine einfache Substanz des zweiten Metallelements enthält, auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht, welche die Seite des Anodenstromkollektor ist, umfassen. Die Bedingungen für das Laden können in Abhängigkeit von Faktoren wie etwa den in der Fluorid-Ionen-Batterie beinhalteten Elementen geeignet gewählt werden.
  • 3. Fluorid-Ionen-Batterie
  • Die durch das obige Verfahren zu erhaltende Fluorid-Ionen-Batterie weist die gleichen Anteile auf wie die oben in „A. Fluorid-Ionen-Batterie“ beschriebenen; folglich wird die Beschreibung hierin weggelassen.
  • Im Übrigen ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt. Die Ausführungsformen sind beispielhaft angegeben.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Offenbarung wird unter Bezugnahme auf Beispiele näher beschrieben.
  • [Beispiel 1, nicht Teil der Erfindung]
  • Herstellung eines Festkörperelektrolytmaterials
  • LaF3 und BaF2 wurden auf ein Molverhältnis von LaF3 : BaF2 = 9 : 1 abgewogen und durch Mahlen in einer Kugelmühle bei 600 UpM 12 Stunden lang zerkleinert und vermischt. Danach wurde das erhaltene Gemisch bei 600°C 10 Stunden lang in einer Ar-Atmosphäre wärmebehandelt, um La0,9Ba0,1F2,9 zu erhalten.
  • Herstellung einer Auswertungszelle
  • 200 mg La0,9Ba0,1F2,9-Pulver wurden auf eine Pb-Folie (Elektrodenschicht) platziert, eine Pb-Folie (Anodenstromkollektor) wurde auf dem Pulver angeordnet und das Produkt wurde einer Pulverdruckformgebung unterzogen. Danach wurde eine Pt-Folie (ein Hilfsstromkollektor) auf beide Oberflächen des erhaltenen laminierten Körpers platziert und dadurch wurde eine Auswertungszelle erhalten.
  • [Beispiel 2 und 3, nicht Teil der Erfindung]
  • Die Auswertungszellen wurden auf die gleiche Weise erhalten wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass eine Sn-Folie bzw. eine In-Folie als die Anodenstromkollektoren verwendet wurden.
  • [Beispiel 4]
  • 200 mg La0,9Ba0,1F2,9-Pulver wurden auf eine Pb-Folie (Elektrodenschicht) platziert und einer Pulverdruckformgebung unterzogen, um ein Pellet zu erhalten. Drei der erhaltenen Pellets wurden aufeinandergestapelt, eine Pb-Folie (Anodenstromkollektor) wurde angeordnet, und das Produkt wurde einer Pulverdruckformgebung unterzogen. Eine Pt-Folie (ein Hilfsstromkollektor) wurde auf beide Oberflächen des erhaltenen laminierten Körpers platziert und dadurch wurde eine Auswertungszelle erhalten.
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • 200 mg La0,9Ba0,1F2,9-Pulver wurden auf eine Pb-Folie (Elektrodenschicht) platziert, eine Pt-Folie (Anodenstromkollektor) wurde auf dem Pulver angeordnet und das Produkt wurde einer Pulverdruckformgebung unterzogen. Eine Pt-Folie (ein Hilfsstromkollektor) wurde auf diejenige Oberfläche des erhaltenen laminierten Körpers platziert, welche die Kathodenseite ist, und dadurch wurde eine Auswertungszelle erhalten.
  • [Vergleichsbeispiel 2 und 3]
  • Die Auswertungszellen wurden auf die gleiche Weise erhalten wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass eine Ni-Folie bzw. eine Al-Folie als die Anodenstromkollektoren verwendet wurden.
  • [Vergleichsbeispiel 4]
  • 200 mg La0,9Ba0,1F2,9-Pulver wurden auf eine Pb-Folie (Elektrodenschicht) platziert und einer Pulverdruckformgebung unterzogen, um ein Pellet zu erhalten. Drei der erhaltenen Pellets wurden aufeinandergestapelt, eine Pt-Folie (Anodenstromkollektor) wurde angeordnet, und das Produkt wurde einer Pulverdruckformgebung unterzogen. Eine Pt-Folie (ein Hilfsstromkollektor) wurde auf diejenige Oberfläche des erhaltenen laminierten Körpers platziert, welche die Kathodenseite ist, und dadurch wurde eine Auswertungszelle erhalten.
  • [Auswertung]
  • Ein Lade- und Entladeversuch wurde für jede in Beispiel 1 bis 4 und Vergleichsbeispiel 1 bis 4 erhaltene Auswertungszelle durchgeführt. Die Bedingungen für den Lade- und Entladeversuch waren: in der Umgebung bei 140°C, 50 µA/cm2 Strom und 0 V bis - 2,6 V Spannung (für Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 4: 0 V bis -7 V Spannung). Auch wurde untersucht, ob beim Aufladen auf 1 mAh ein Kurzschluss auftritt oder nicht. Die Ergebnisse hiervon sind in 6A bis 9B sowie Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]
    Kathode Festkörperelektrolytschicht Anodenstromkollektor Zelle Auftreten/ Nichtauftreten eines Kurzschlusses beim Aufladen auf 1 mAh
    Beispiel 1 Pb La0,9Ba0,1F2,9 Pb Monopolar Nicht aufgetreten
    Beispiel 2 Pb La0,9Ba0,1F2,9 Sn Monopolar Nicht aufgetreten
    Beispiel 3 Pb La0,9Ba0,1F2,9 in Monopolar Nicht aufgetreten
    Beispiel 4 Pb La0,9Ba0,1F2,9 Pb Bipolar Nicht aufgetreten
    Vergleichsbeispiel 1 Pb La0,9Ba0,1F2,9 Pt Monopolar Aufgetreten
    Vergleichsbeispiel 2 Pb La0,9Ba0,1F2,9 Ni Monopolar Aufgetreten
    Vergleichsbeispiel 3 Pb La0,9Ba0,1F2,9 Al Monopolar Aufgetreten
    Vergleichsbeispiel 4 Pb La0,9Ba0,1F2,9 Pt Bipolar Aufgetreten
  • Beispielsweise wurden, wie in 6A gezeigt, beim Aufladen und Entladen der Auswertungszelle Lade- und Entladeplateaus bestätigt. Die Ausgestaltung dieser Auswertungszelle ist wie folgt:
    • Pt-Folie: Hilfsstromkollektor;
    • Pb-Folie (der Abschnitt, der nicht mit F- reagiert): Kathodenstromkollektor;
    • Pb-Folie (der Abschnitt, der mit F- reagiert): Kathodenaktivmaterialschicht
    • Pb + 2F- ↔ PbF2 + 2e-;
    • La0,9Ba0,1F2,9 (Kathodenstromkollektorseite): Festkörperelektrolytschicht;
    • La0,9Ba0,1F2,9 (Anodenstromkollektorseite): Anodenaktivmaterialschicht
    • La0,9Ba0,1F2,9 + 2,7e- ↔ 0,9La + 0,1BaF2 + 2,7F-;
    • Pb-Folie: Anodenstromkollektor;
    • Pt-Folie: Hilfsstromkollektor.
  • Auf diese Weise konnten zwei Elemente: die Elektrodenschicht und die Festkörperelektrolytschicht, die Leistungserzeugungselemente (die Kathodenaktivmaterialschicht, die Festkörperelektrolytschicht und die Anodenaktivmaterialschicht) der Batterie bilden.
  • Auch, wie in 6A gezeigt, trat in Beispiel 1 (nicht Teil der Erfindung), welches eine Pb-Folie als den Anodenstromkollektor verwendete, kein Kurzschluss auf, obwohl die Auswertungszelle auf 1,6 mAh aufgeladen wurde. Indes, wie in 6B gezeigt, wurde in Vergleichsbeispiel 1, welches eine Pt-Folie als den Anodenstromstromkollektor verwendete, beim Aufladen der Batterie auf 0,30 mAh die Spannung instabil, und ein Auftreten eines leichten Kurzschlusses wurde bestätigt.
  • Ferner, wie in 7A und 7B gezeigt, trat in keinem von Beispiel 2 und 3 (nicht Teil der Erfindung), welche eine Sn-Folie bzw. eine In-Folie als die Anodenstromkollektoren verwendeten, ein Kurzschluss auf, obwohl die Auswertungszellen auf 1,0 mAh geladen wurden. Wie in 8A gezeigt, wurde indes in Vergleichsbeispiel 2, welches eine Ni-Folie als den Anodenstromkollektor verwendete, beim Aufladen der Batterie auf 0,35 mAh die Spannung instabil, und ein Auftreten eines leichten Kurzschlusses wurde bestätigt. Auch, wie in 8B gezeigt, wurde in Vergleichsbeispiel 3, welches eine Al-Folie als den Anodenstromkollektor verwendete, beim Aufladen der Batterie auf 0,79 mAh die Spannung instabil, und ein Auftreten eines leichten Kurzschlusses wurde bestätigt.
  • Ferner, wie in 9A gezeigt, trat in Beispiel 4 eines bipolaren Typs, das eine Pb-Folie als den Anodenstromkollektor verwendete, kein Kurzschluss auf, obwohl die Auswertungszelle auf 1,5 mAh geladen wurde. Indes, wie in 9B gezeigt, wurde in Vergleichsbeispiel 4 eines bipolaren Typs, das eine Pt-Folie als den Anodenstromkollektor verwendete, beim Aufladen der Batterie auf 0,33 mAh die Spannung instabil, und ein Auftreten eines leichten Kurzschlusses wurde bestätigt.
  • Auf diese Weise wurde durch Verwenden eines Anodenstromkollektors, der jedes Metallelement aus Pb, Sn oder In beinhaltete, ein Auftreten eines Kurzschlusses unterbunden. Da sich indes Sb und Bi an Positionen im Periodensystem befinden, welche zu Sn und Pb benachbart sind, und sie weiche Elemente sind, so dass sie leicht eine Legierung ausbilden, steht zu erwarten, dass sie ebenfalls einen Kurzschluss unterbinden können.
  • [Beispiel 5]
  • Zunächst wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 La0,9Ba0,1F2,9 erhalten. Als Nächstes wurden zur Herstellung eines ersten Festkörperelektrolytabschnitts 100 mg La0,9Ba0,1F2,9-Pulver bereitet. Dann wurde zur Herstellung eines zweiten Festkörperelektrolytabschnitts ein Pulvergemisch bereitet, in dem La0,9Ba0,1F2,9-Pulver und Pb-Pulver in einem Gewichtsverhältnis von La0,9Ba0,1F2,9-Pulver : Pb-Pulver = 2 : 1 vermischt waren. Das Produkt wurde einer Pulverdruckformgebung unterzogen und dadurch wurden Pellets der Festkörperelektrolytschicht bereitet. Danach wurden die Pellets der Festkörperelektrolytschicht auf eine Pb-Folie (eine Elektrolytschicht) platziert, so dass sich der erste Festkörperelektrolytabschnitt auf der Seite der Pb-Folie (einer Elektrodenschicht) befand, eine Pt-Folie (ein Anodenstromkollektor) wurde darauf platziert und der erhaltene laminierte Körper wurde gepresst. Danach wurde eine Pt-Folie (ein Hilfsstromkollektor) auf diejenige Oberfläche des erhaltenen laminierten Körpers platziert, welche die Kathodenseite ist, und dadurch wurde eine Auswertungszelle erhalten.
  • [Beispiel 6]
  • Die Auswertungszelle wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 5 erhalten, mit der Ausnahme, dass Sn-Pulver anstelle des Pb-Pulvers verwendet wurde.
  • [Auswertung]
  • Ein Lade- und Entladeversuch wurde für jede in Beispiel 5 und 6 erhaltene Auswertungszelle durchgeführt. Der Lade- und Entladeversuch wurde auf die gleiche Weise wie oben angegeben durchgeführt. Die Ergebnisse davon sind in 10 und 11 gezeigt.
  • Wie in 10 und 11 gezeigt, trat in keinem von Beispiel 5 und 6, welche der Festkörperelektrolytschicht jeweils das Pb-Pulver bzw. das Sn-Pulver hinzusetzten, ein Kurzschluss auf. Auch war in Beispiel 5 und 6 ein Aufladen und Entladen auf etwa 5 mAh möglich, was bedeutet, dass eine höhere Kapazität als in Beispiel 1 und 2 erhalten wurde.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Elektrodenschicht
    2
    Festkörperelektrolytschicht
    3
    Anodenstromkollektor
    4
    Fluoridschicht
    5
    Anodenaktivmaterialschicht
    10
    Fluorid-Ionen-Batterie

Claims (10)

  1. Fluorid-Ionen-Batterie, umfassend: eine Elektrodenschicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht, enthaltend ein Festkörperelektrolytmaterial, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor in dieser Reihenfolge; und wobei keine Anodenaktivmaterialschicht zwischen der Festkörperelektrolytschicht und dem Anodenstromkollektor vorhanden ist; und die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet, wobei die Fluorid-Ionen-Batterie ferner einen bipolaren Aufbau aufweist, in dem eine Mehrzahl der Elektrodenschichten und der Festkörperelektrolytschichten alternierend angeordnet sind.
  2. Fluorid-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenstromkollektor unmittelbar auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht angeordnet ist.
  3. Fluorid-Ionen-Batterie, umfassend: eine Elektrodenschicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht, enthaltend ein Festkörperelektrolytmaterial, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor in dieser Reihenfolge; und eine Fluoridschicht, enthaltend ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements auf einer Oberfläche der Elektrodenschicht, welche die Anodenstromkollektorseite ist; und eine Anodenaktivmaterialschicht, enthaltend eine einfache Substanz des zweiten Metallelements auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht, welche die Anodenstromkollektorseite ist, und wobei die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet, wobei die Fluorid-Ionen-Batterie ferner einen bipolaren Aufbau aufweist, in dem eine Mehrzahl der Elektrodenschichten und der Festkörperelektrolytschichten alternierend angeordnet sind.
  4. Fluorid-Ionen-Batterie nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet.
  5. Fluorid-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperelektrolytschicht eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet.
  6. Fluorid-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet.
  7. Fluorid-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metallelement mindestens eine Art von La, Ba, Pb, Sn, Ca und Ce ist.
  8. Fluorid-Ionen-Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörperelektrolytmaterial mindestens eine Art von La1-xBaxF3-x, worin 0 ≤ x ≤ 2, Pb2-xSnxF4, worin 0 ≤ x ≤ 2, Ca2-xBaxF4, worin 0 ≤ x ≤ 2 und Ce1-xBaxF3-x, worin 0 ≤ x ≤ 2, ist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Fluorid-Ionen-Batterie, welche einen bipolaren Aufbau aufweist, wobei das Verfahren umfasst: einen Laminierkörperbildungsschritt des Bildens eines laminierten Körpers, beinhaltend eine Elektrodenschicht, welche ein erstes Metallelement oder ein Kohlenstoffelement beinhaltet und eine Fluorierungs- und Defluorierungsfähigkeit aufweist; eine Festkörperelektrolytschicht, welche ein Festkörperelektrolytmaterial enthält, wobei das Festkörperelektrolytmaterial ein zweites Metallelement mit einem Fluorierungspotential und Defluorierungspotential beinhaltet, welche niedriger sind als die Potentiale des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements; und einen Anodenstromkollektor in dieser Reihenfolge; und wobei keine Anodenaktivmaterialschicht zwischen der Festkörperelektrolytschicht und dem Anodenstromkollektor vorhanden ist; und die Festkörperelektrolytschicht und/oder der Anodenstromkollektor eine einfache Substanz aus Pb, Sn, In, Bi oder Sb oder eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metallelemente enthält, beinhaltet, wobei der bipolare Aufbau durch Herstellen eines Elements, bei dem die Festkörperelektrolytschicht auf die Elektrodenschicht gestapelt ist, und mehrmaliges Stapeln des Elements gebildet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend einen Ladeschritt des Ladens des laminierten Körpers, Bilden einer Fluoridschicht, die ein Fluorid des ersten Metallelements oder des Kohlenstoffelements enthält, auf einer Oberfläche der Elektrodenschicht, welche die Anodenstromkollektorseite ist, und Bilden einer Anodenaktivmaterialschicht, die eine einfache Substanz des zweiten Metallelements enthält, auf einer Oberfläche der Festkörperelektrolytschicht, welche die Anodenstromkollektorseite ist.
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