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一种钠离子电池负极材料及其制备方法技术

技术编号:15393653 阅读:168 留言:0更新日期:2017-05-19 05:56
本发明专利技术涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法,属于电池材料合成领域。现有的钠离子电池负极材料存在各种各样的问题,不适合产业化应用。本发明专利技术所述的一种钠离子电池负极材料,由金属单质和硫族单质在高温真空或惰性气体的条件下固相烧结而成,其中,所述的金属单质的用量为14%~80%摩尔比例,所述的硫族单质为硫单质、硒单质和/或碲单质。本发明专利技术所述的一种钠离子电池负极材料及其制备方法具有以下优点:生产工艺简单,易于操作,生产成本低,环境的污染小,结晶性好,产率高等优点。采用本发明专利技术所述的一种钠离子电池负极材料及其制备方法得到的电极材料表现出了良好的循环和倍率性能,和现有的数据相比具有较高的容量保持率。

Negative electrode material of sodium ion battery and preparation method thereof

The invention relates to a negative electrode material of a sodium ion battery and a preparation method thereof, belonging to the field of battery material synthesis. The existing negative electrode materials for sodium ion batteries have various problems and are not suitable for industrial applications. A sodium ion battery cathode material of the invention, a metal chalcogenide element in high temperature and vacuum or inert gas under the condition of solid phase sintering, wherein the metal content is 14% ~ 80% molar ratio, the elemental sulfur, sulfur and selenium, and quality / or tellurium. A method of sodium ion battery cathode material and preparation of the invention has the following advantages: simple process, easy operation, low production cost, small environmental pollution, good crystallization, high yield etc.. The electrode material of the sodium ion battery using the present invention and the preparation method thereof exhibit good cyclic and rate performance, and have higher capacity retention compared with the existing data.

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术属于电池材料合成领域,特别是涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池作为高效的储能器件在便携式电子市场已得到了广泛应用,并向电动汽车、智能电网和可再生能源大规模储能体系扩展。从大规模储能的应用需求来看,理想的二次电池除具有适宜的电化学性能外,还必须兼顾资源丰富、价格廉价等社会经效益指标。由于钠和锂具有相似的物化性质,且钠资源丰富,成本低廉,是非常有发展潜力的电池体系。随着锂离子电池原材料价格的不断上升,为了有效降低成本,已经掀起了研究钠离子电池的热潮。钠离子电池是法国国家科学研究中心的研究人员们开发的新电池,借助了钠离子转移(而不是锂离子)来存储和释放电能。但是目前最关键的钠离子电池电极材料仍然不能达到可商业化的程度。目前常见的钠电池负极材料主要有碳负极材料,合金负极材料,金属硫族化合物负极材料,金属磷族化合物负极材料和钛酸盐负极材料五类。碳负极材料主要有:1、石墨类负极材料,改性石墨、石墨烯等属于此类,其特点是来源广泛,价格低廉,制备简单,循环和倍率性能较好,但首次效率和理论容量较低;2、非石墨类负极材料,各种软碳和硬碳属于此类,其特点是原料来源广泛,制备过程简单,层间距和无序度较大,平台较低,但理论容量较低,循环和倍率性能较差。合金负极材料主要有:1、锡负极材料,其特点是原料来源广泛,理论容量高,首次效率较高,但充放电过程中体积变化大,循环和倍率性能较差;2、锑负极材料,其特点是理论容量高,但原料价格昂贵,充放电过程中体积变化大,循环和倍率性能较差;3、磷负极材料,其特点是原料来源广泛,理论容量高,但毒性较大(白磷),导电性差,循环和倍率性能较差。金属硫族化合物负极材料主要有:1、金属氧化物,Sb2O4、Fe2O3、SnO2、MoO3、TiO2,Co3O4,CuO等属于此类,其特点是理论容量高,但充放电过程中体积变化大,结构不稳定,导电性较差,循环和倍率性能较差;2、金属硫化物,FeS2,FeS,MoS2,SnS2,SnS,CoS,CuS,WS2等属于此类,其特点是理论容量高,但充放电过程中体积变化大,结构不稳定,循环稳定性较差;3、金属硒化物,其特点是导电性较好,理论容量高,倍率性能较好,但充放电过程中体积变化大,循环性能较差。金属磷族化合物负极材料主要有:1、铁磷化合物,FeP等属于此类,其特点是原料来源广泛,理论容量较高,但导电性较差,循环和倍率性能较差;2、锡磷化合物,Sn4P3等属于此类,其特点是价格低廉,理论容量高,但导电性较差,体积膨胀严重,循环和倍率性能较差。钛酸盐负极材料主要有:Na2Ti3O7和Li4Ti5O12,其特点是价格低廉,结构稳定,体积变化小,循环性能好,但理论容量较低。钠离子电池负极材料的商业化需要满足高性能的同时,尽量降低成本、简化生产工艺。目前已经开发的负极材料一部分性能较低,不适合产业化应用;另一部分虽然性能达到应用可能,但材料制备工艺较为复杂,对设备要求很高,投入成本大,不易控制,难以实现大批量生产与应用,如纳米复合材料,碳复合材料等;而另外一些工艺简单,易于控制,且可与现有的锂离子电池电极材料生产工艺兼容的钠离子电池负极材料,则容量较低且循环稳定性很差,因此也难以实现应用。因此,开发合成工艺简单、设备要求低、性能优良的钠离子电池负极材料,非常有助于实现钠离子电池的迅速推广与应用,市场潜力非常巨大。
技术实现思路
针对现有技术中所存在的问题,本专利技术的目的在于提供一种高性能的钠离子电池负极材料及其制备方法,该方法工艺简单,对生产设备的要求低,为钠离子电池的推广应用提供一类可产业化的钠离子电池负极材料。本专利技术的另一目的在于提供一种新型的高性能的钠离子电池负极及钠离子电池。为实现上述目的,本专利技术采用以下技术方案:一种钠离子电池负极材料,其特征是:所述的负极材料由金属单质和硫族单质在高温真空或惰性气体的条件下固相烧结而成,其中,所述的金属单质的用量为14%~80%摩尔比例,所述的硫族单质为硫单质、硒单质和/或碲单质。进一步,所述的金属单质的用量为25%~50%摩尔比例。更进一步,所述的金属单质的用量为33%摩尔比例。进一步,所述的金属单质是Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zn、Sn、Sb和W中的一种或多种。更进一步,所述的金属单质是V、Fe、Co、Cu、Mo、Sn中的一种或多种。再进一步,所述的金属单质为Fe和/或Sn。本专利技术还提供了一种如上所述的钠离子电池负极材料的制备方法,包括以下步骤:(1)以金属单质,硫单质、硒单质和/或碲单质为原料,将其按比例混匀;(2)将步骤(1)中混合物在真空或者惰性气体条件下高温烧结得到所述的负极材料。进一步,步骤(2)中,所述的烧结温度是200~1000℃,烧结时间为5~100小时,所述惰性气体为氩气或者氮气。更进一步,所述的烧结温度是300~600℃,烧结时间为20~80小时。再进一步,所述的烧结温度是400℃,烧结时间为50小时。本专利技术还提供了一种以如上所述的负极材料为活性物质的钠离子电池负极,包括:负极材料活性物质、粘结剂和导电填料,其中,所述的粘结剂为聚偏氟乙烯或者羧甲基纤维素,所述的导电填料为导电碳黑或者乙炔黑,所述的负极材料活性物质、粘结剂和导电填料的质量比为8:1:1。本专利技术还提供了一种钠离子电池,包括如上所述的钠离子电池负极,以金属钠片作为对电极,以玻璃纤维作为隔膜,以1.0MNaCF3SO3溶入二乙二醇二甲醚中作为电解液组装成电池。本专利技术的效果在于,采用本专利技术所述的方法,具有如下优点和显著的技术效果:1、本专利技术所述的方法原料易得,产物收率接近100%;2、本专利技术所述的方法生产工艺简单,易于操作,生产成本低、适于工业化生产;3、本专利技术所述的方法无废液和有毒有害气体生成,对环境的污染小;4、本专利技术所述的方法在烧结温度下反应产物结晶性好,副产物少;5、通过控制反应的温度和时间可以对产品的形貌和粒度进行调控;6、通过本专利技术所述的方法得到的钠离子电池负极材料理论容量高,导电性较好,循环和倍率性能较好。采用本专利技术所述方法制备的金属硫族化合物材料可以广泛应用于各种科学和
,特别是用于开发新型钠离子电池负极材料以及用于设计新型高选择性固相催化剂。附图说明图1是本专利技术实施例1的电池测量结果图;图2是本专利技术实施例2的电池测量结果图;图3是本专利技术实施例3的电池测量结果图;图4是本专利技术实施例4的电池测量结果图;图5是本专利技术实施例5的电池测量结果图;图6是本专利技术实施例6的电池测量结果图;图7是本专利技术实施例7的电池测量结果图;图8是本专利技术实施例8的电池测量结果图;图9是本专利技术实施例9的电池测量结果图;图10是本专利技术实施例10的电池测量结果图;图11是本专利技术实施例11的电池测量结果图;图12是本专利技术实施例12的电池测量结果图;图13是本专利技术实施例13的电池测量结果图;图14是本专利技术实施例14的电池测量结果图;图15是本专利技术实施例15的电池测量结果图;图16是本专利技术实施例16的电池测量结果图;图17是本专利技术实施例17的电池测量结果图;图18是本专利技术实施例18的电池测量结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步描述。一种新型金属硫族化合本文档来自技高网
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一种钠离子电池负极材料及其制备方法

【技术保护点】
一种钠离子电池负极材料,其特征是:所述的负极材料由金属单质和硫族单质在高温真空或惰性气体的条件下固相烧结而成,其中,所述的金属单质的用量为14%~80%摩尔比例,所述的硫族单质为硫单质、硒单质和/或碲单质。

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池负极材料,其特征是:所述的负极材料由金属单质和硫族单质在高温真空或惰性气体的条件下固相烧结而成,其中,所述的金属单质的用量为14%~80%摩尔比例,所述的硫族单质为硫单质、硒单质和/或碲单质。2.如权利要求1所述的一种钠离子电池负极材料,其特征是:所述的金属单质的用量为25%~50%摩尔比例。3.如权利要求2所述的一种钠离子电池负极材料,其特征是:所述的金属单质的用量为33%摩尔比例。4.如权利要求1至3任一项所述的一种钠离子电池负极材料,其特征是:所述的金属单质是Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zn、Sn、Sb和W中的一种或多种。5.如权利要求4所述的一种钠离子电池负极材料,其特征是:所述的金属单质是V、Fe、Co、Cu、Mo、Sn中的一种或多种。6.如权利要求5所述的一种钠离子电池负极材料,其特征是:所述的金属单质为Fe和/或Sn。7.一种如权利要求1-6所述的钠离子电池负极材料的制备方法,包括以下步骤:(1)以金属单质,硫单质、硒单质和/或碲单质为原料,将其按比例混匀;(2)将步骤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈继涛薛面起王旭生
申请(专利权)人:北京大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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